Künstliche Intelligenz erkennt neue Genfamilie in Darmbakterien

Mithilfe künstlicher Intelligenz haben Forscher von UT Southwestern eine neue Familie von Sensorgenen in Darmbakterien entdeckt, die durch Struktur und wahrscheinlich Funktion, aber nicht durch genetische Sequenz miteinander verbunden sind. Die Ergebnisse, veröffentlicht in PNASbieten eine neue Möglichkeit, die Rolle von Genen in nicht verwandten Arten zu identifizieren, und könnten zu neuen Wegen zur Bekämpfung bakterieller Darminfektionen führen.

„Wir haben Ähnlichkeiten in diesen Proteinen festgestellt, anders als es normalerweise gemacht wird. Anstatt eine Sequenz zu verwenden, hat Lisa nach Übereinstimmungen in ihrer Struktur gesucht“, sagte sie Kim Orth, Ph.D.Professorin für Molekularbiologie und Biochemie, die die Studie gemeinsam mit Lisa Kinch, Ph.D., einer Bioinformatikerin in der Abteilung für Molekularbiologie, leitete.

Dr. Orths Labor konzentriert sich seit langem darauf, zu untersuchen, wie Meeres- und Flussmündungsbakterien Infektionen verursachen. Im Jahr 2016 nutzten Dr. Orth und ihre Kollegen die Biophysik, um die Struktur von zwei Proteinen namens VtrA- und VtrC-Komplex zu charakterisieren, die in einer Bakterienart, die als bekannt ist, zusammenarbeiten Vibrio parahaemolyticus. Sie und ihr Team entdeckten dann den VtrA/VtrC-Komplex in V. parahaemolyticus – was häufig die Ursache von Lebensmittelvergiftungen durch kontaminierte Schalentiere ist – erkennt Galle von der Oberfläche der Bakterienzelle und sendet ein Signal, um eine chemische Kaskade auszulösen, die diese Mikrobe dazu veranlasst, in die Darmzellen ihres menschlichen Wirts einzudringen.

Obwohl VtrA einige strukturelle Merkmale mit einem Protein namens ToxR teilt, das in einem verwandten Bakterium namens gefunden wird Vibrio cholerae das Cholera verursacht, war unklar, ob auch in diesem oder anderen Bakterien ein Homolog für VtrC existiert.

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„Wir hatten noch nie so etwas wie VtrC gesehen“, sagte Dr. Kinch. „Aber wir dachten, dass es andere Proteine ​​wie dieses geben muss.“

Ohne bekannte Gene mit ähnlichen Sequenzidentitäten wie VtrC wandten sich die Forscher einer erst vor zwei Jahren veröffentlichten Software namens AlphaFold zu. Dieses Programm für künstliche Intelligenz kann die Struktur einiger Proteine ​​anhand der für sie kodierenden genetischen Sequenz genau vorhersagen – Informationen, die zuvor nur durch mühsame Arbeit im Labor gesammelt wurden.

AlphaFold zeigte, dass ein Protein namens ToxS in V. cholerae ist VtrC in seiner Struktur sehr ähnlich, obwohl die beiden Proteine ​​keine erkennbaren Teile ihrer genetischen Sequenzen gemeinsam hatten. Als die Forscher in anderen Organismen nach Proteinen mit ähnlichen Strukturmerkmalen suchten, fanden sie Homologe für VtrC in mehreren anderen enterischen Bakterienarten, die für menschliche Krankheiten verantwortlich sind, darunter Yersinia pestis (die die Beulenpest verursacht) und Burkholderia pseudomallei (die eine tropische Infektion namens Melioidose verursacht). Jedes dieser VtrC-Homologe scheint mit Proteinen zusammenzuarbeiten, die VtrA strukturell ähnlich sind, was darauf hindeutet, dass ihre Rollen die gleichen sein könnten wie die in V. parahaemolyticus.

Dr. Orth sagte, dass diese strukturellen Ähnlichkeiten schließlich zu Arzneimitteln führen könnten, die Zustände behandeln, die durch verschiedene infektiöse Organismen verursacht werden, die auf ähnlichen pathogenen Strategien beruhen.

Dr. Orth ist Forscher am Howard Hughes Medical Institute, Inhaber des Earl A. Forsyth Chair in Biomedical Science und WW Caruth, Jr. Scholar in Biomedical Research. Als Mitglied der National Academy of Sciences seit 2020 ist dies ihr Antrittsartikel in PNAS.

Bezug: Kinch L, Cong Q, Jaishankar et al. Co-Komponenten-Signaltransduktionssysteme: Sich schnell entwickelnde Virulenzregulationskassetten in Darmbakterien entdeckt. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2022;119(24):e2203176119. doi: 10.1073/pnas.2203176119.

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