Учените решават 50-годишна мистерия – как се движат бактериите?

Учени от Университета на Вирджиния разрешиха мистерия от десетилетия.

изследователи от Университет на Вирджиния Медицинското училище и техните колеги са разрешили дългогодишна мистерия за това как се движат E. coli и други бактерии.

Бактериите се движат напред, като усукват дългите си нишковидни краища в спирални форми, които действат като импровизирани ветрила. Въпреки това, тъй като „вентилаторите“ са съставени от един протеин, експертите са озадачени как точно го правят.

Случаят е разрешен от международен екип, ръководен от Едуард Х. Изследователите са използвали Cryo-EM технология и мощно компютърно моделиране, за да разкрият това, което нито един конвенционален оптичен микроскоп не може да види: необичайната структура на тези пропелери на ниво отделни атоми.

„Въпреки че от 50 години съществуват модели за това как тези нишки образуват такива правилни навити форми, сега сме определили структурата на тези нишки в атомни детайли“, каза Игълман от отдела по биохимия и молекулярна генетика на UVA. „Можем да покажем, че тези модели са грешни и новото ни разбиране ще помогне да се проправи пътя за технологии, които биха могли да се основават на такива миниатюрни витла.“

Едуард Х. Игълман, д-р от Медицинския факултет на Университета на Вирджиния, и неговите сътрудници са използвали криоелектронна микроскопия, за да разкрият как се движат бактериите – слагайки край на повече от 50-годишна мистерия. Предишната фотографска работа на Игълман го е присъединила към престижната Национална академия на науките, едно от най-високите отличия, които един учен може да получи. Кредит: Дан Адисън | Университет за комуникации във Вирджиния

Диаграми на „суперпрофилите“ на бактериите

Различни бактерии съдържат един или повече придатъци, известни като камшичета, или в множествено число камшичета. Флагелумът се състои от хиляди субединици, всички от които са идентични. Може да си представите, че такава опашка би била права или поне донякъде хвърчаща, но би попречила на бактериите да се движат. Това се дължи на факта, че такива форми не могат да генерират инерция. За придвижване на бактериите напред е необходим въртящ се вентилатор, подобен на превключвател. Учените наричат ​​разработването на тази форма „супер усукване“ и сега знаят как бактериите го правят след повече от 50 години изследвания.

Eagleman и колеги откриха, че протеинът, който изгражда флагела, може да съществува в 11 различни състояния, използвайки cryo-EM. Формата на ключа се оформя от точна комбинация от тези състояния.

Известно е, че ветрилото в бактериите е доста различно от подобни ветрила, използвани от едноклетъчни сърдечни организми, наречени археи. Археите се срещат в някои от най-екстремните среди на земята, като например в почти кипящи езера.[{“ 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.