Разгадывая 50-летнюю загадку, ученые раскрывают, как бактерии могут двигаться

Исследователи Школы медицины Университета Вирджинии и их сотрудники разгадали многолетнюю загадку о том, как кишечная палочка и другие бактерии способны двигаться.

Бактерии продвигаются вперед, скручивая длинные нитевидные придатки в форме штопора, которые действуют как импровизированные пропеллеры. Но то, как именно они это делают, озадачило ученых, потому что «пропеллеры» сделаны из одного белка.

Международная команда под руководством Эдварда Х. Эгельмана из UVA, доктора философии, лидера в области высокотехнологичной криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ), раскрыла дело. Исследователи использовали крио-ЭМ и передовое компьютерное моделирование, чтобы выявить то, что не мог увидеть ни один традиционный световой микроскоп: странную структуру этих пропеллеров на уровне отдельных атомов.

«Хотя уже 50 лет существуют модели того, как эти нити могут образовывать такие правильные спиральные формы, теперь мы определили структуру этих нитей в атомных деталях», — сказал Эгельман из отдела биохимии и молекулярной генетики Университета штата Вашингтон. «Мы можем показать, что эти модели были ошибочными, и наше новое понимание поможет проложить путь для технологий, которые могут быть основаны на таких миниатюрных пропеллерах».

Чертежи «суперспиралей» Bacteria

Различные бактерии имеют один или несколько придатков, известных как жгутики, или, во множественном числе, жгутики. Жгутик состоит из тысяч субъединиц, но все эти субъединицы совершенно одинаковы. Вы можете подумать, что такой хвост будет прямым или, в лучшем случае, немного гибким, но это лишит бактерии возможности двигаться. Это потому, что такие формы не могут создавать тягу. Чтобы толкать бактерию вперед, нужен вращающийся пропеллер, похожий на штопор. Ученые называют образование такой формы «суперспирализацией», и теперь, спустя более 50 лет, они понимают, как это делают бактерии.

Используя крио-ЭМ, Эгельман и его команда обнаружили, что белок, из которого состоит жгутик, может существовать в 11 различных состояниях. Именно точная смесь этих состояний приводит к формированию формы штопора.

Известно, что пропеллер у бактерий сильно отличается от аналогичных пропеллеров, используемых крепкими одноклеточными организмами, называемыми археями. Археи встречаются в самых экстремальных условиях на Земле, например, в почти кипящих бассейнах с кислотой, на самом дне океана и в нефтяных месторождениях глубоко под землей.

Эгельман и его коллеги использовали крио-ЭМ для изучения жгутиков одной из форм архей, Saccharolobus islandicus , и обнаружили, что белок, формирующий их жгутики, существует в 10 различных состояниях. Хотя детали сильно отличались от того, что исследователи видели у бактерий, результат был тот же: нити образовывали правильные штопоры. Они заключают, что это пример «конвергентной эволюции», когда природа приходит к одинаковым решениям совершенно разными способами. Это показывает, что, хотя пропеллеры бактерий и архей похожи по форме и функциям, организмы развили эти черты независимо.

«Как и в случае с птицами, летучими мышами и пчелами, у которых независимо развились крылья для полета, эволюция бактерий и архей сошлась на сходном решении для плавания у обоих», — сказал Эгельман, чья предыдущая работа с визуализацией привела к тому, что он был введен в Национальную академию. наук, одной из самых высоких наград, которые может получить ученый. «Поскольку эти биологические структуры появились на Земле миллиарды лет назад, 50 лет, которые потребовались для их понимания, могут показаться не такими уж долгими».

Результаты опубликованы

Исследователи опубликовали свои выводы в научном журнале Cell . В состав команды входили Марк А. Б. Кройцбергер, Рави Р. Сонани, Цзюньфэн Лю, Шаранья Чаттерджи, Фенгбин Ван, Аманда Л. Себастьян, Приянка Бисвас, Шерил Юинг, Вейли Чжэн, Фредерик Поли, Гад Франкель, Б. Ф. Луизи, Крис Калладин, Март Крупович. , Биргит Э. Шарф и Эгельман.

Работа выполнена при поддержке Национальных институтов здравоохранения, гранты GM122150 и T32 GM080186; Программа рабочей группы ВМС США 6000.RAD1.DA3.A0308; и стипендией Роберта Р. Вагнера. Документ исследователя не отражает официальную политику или позицию Министерства военно-морского флота, Министерства обороны или правительства США.