Ученые разгадывают загадку 50-летней давности — как передвигаются бактерии?

Ученые Университета Вирджинии разгадали загадку, которой уже несколько десятков лет.

исследователи из Университет Вирджинии Медицинская школа и их коллеги разгадали давнюю загадку движения кишечной палочки и других бактерий.

Бактерии движутся вперед, скручивая свои длинные нитевидные концы в спиральные формы, которые действуют как импровизированные вентиляторы. Однако, поскольку «вентиляторы» состоят из одного белка, эксперты не понимают, как именно они это делают.

Дело было разрешено международной командой во главе с Эдвардом Х. Исследователи использовали технологию Cryo-EM и мощное компьютерное моделирование, чтобы выявить то, что не может увидеть ни один обычный оптический микроскоп: необычную структуру этих пропеллеров на уровне отдельных атомов.

«Хотя модели того, как эти нити образуют такие правильные спиральные формы, существовали уже 50 лет, теперь мы определили структуру этих нитей в атомных деталях», — сказал Иглман из отдела биохимии и молекулярной генетики Университета Вирджинии. «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».

Эдвард Х. Иглман, доктор философии из Медицинской школы Университета Вирджинии, и его сотрудники использовали криоэлектронную микроскопию, чтобы выяснить, как двигаются бактерии, положив конец более чем 50-летней загадке. Предыдущие фотографические работы Иглмана позволили ему поступить в престижную Национальную академию наук, что является одной из самых высоких наград, которые может получить ученый. Кредит: Дэн Аддисон | Университет коммуникаций Вирджинии

Диаграммы «суперпрофилей» бактерий

Различные бактерии содержат один или несколько придатков, известных как жгутики, или, во множественном числе, жгутики. Жгутик состоит из тысяч субъединиц, и все они идентичны. Вы можете себе представить, что такой хвост будет прямым или, по крайней мере, несколько гибким, но он не даст бактериям двигаться. Это связано с тем, что такие формы не могут генерировать импульс. Для перемещения бактерий вперед необходим вращающийся вентилятор, похожий на переключатель. Ученые называют развитие этой формы «суперскручиванием», и теперь они знают, как это делают бактерии после более чем 50 лет исследований.

Иглман и его коллеги обнаружили, что белок, из которого состоит жгутик, может существовать в 11 различных состояниях с помощью крио-ЭМ. Форма ключа формируется точным сочетанием этих состояний.

Известно, что веер у бактерий сильно отличается от аналогичных вееров, используемых одноклеточными сердечными организмами, называемыми археями. Археи встречаются в самых экстремальных условиях на Земле, например, в почти кипящих прудах.[{» attribute=»»>acid, the very bottom of the ocean and in petroleum deposits deep in the ground.

Egelman and colleagues used cryo-EM to examine the flagella of one form of archaea, Saccharolobus islandicus, and found that the protein forming its flagellum exists in 10 different states. While the details were quite different than what the researchers saw in bacteria, the result was the same, with the filaments forming regular corkscrews. They conclude that this is an example of “convergent evolution” – when nature arrives at similar solutions via very different means. This shows that even though bacteria and archaea’s propellers are similar in form and function, the organisms evolved those traits independently.

“As with birds, bats, and bees, which have all independently evolved wings for flying, the evolution of bacteria and archaea has converged on a similar solution for swimming in both,” said Egelman, whose prior imaging work saw him inducted into the National Academy of Sciences, one of the highest honors a scientist can receive. “Since these biological structures emerged on Earth billions of years ago, the 50 years that it has taken to understand them may not seem that long.”

Reference: “Convergent evolution in the supercoiling of prokaryotic flagellar filaments” by Mark A.B. Kreutzberger, Ravi R. Sonani, Junfeng Liu, Sharanya Chatterjee, Fengbin Wang, Amanda L. Sebastian, Priyanka Biswas, Cheryl Ewing, Weili Zheng, Frédéric Poly, Gad Frankel, B.F. Luisi, Chris R. Calladine, Mart Krupovic, Birgit E. Scharf and Edward H. Egelman, 2 September 2022, Cell.
DOI: 10.1016/j.cell.2022.08.009

The study was funded by the National Institutes of Health, the U.S. Navy, and Robert R. Wagner.