Naukowcy rozwiązują 50-letnią zagadkę – jak poruszają się bakterie?

Naukowcy z University of Virginia rozwiązali zagadkę sprzed dziesięcioleci.

badacze z Uniwersytet Wirginii Szkoła Medyczna i jej koledzy rozwiązali od dawna tajemnicę poruszania się E. coli i innych bakterii.

Bakterie poruszają się do przodu, skręcając swoje długie, nitkowate końce w spiralne kształty, które działają jak prowizoryczne wachlarze. Jednakże, ponieważ „fani” składają się z jednego białka, eksperci są zdezorientowani, jak dokładnie to robią.

Sprawę rozwiązał międzynarodowy zespół kierowany przez Edwarda H. Naukowcy wykorzystali technologię Cryo-EM i potężne modelowanie komputerowe, aby odkryć to, czego nie może zobaczyć żaden konwencjonalny mikroskop optyczny: niezwykłą strukturę tych śmigieł na poziomie pojedynczych atomów.

„Podczas gdy od 50 lat istnieją modele pokazujące, w jaki sposób włókna te tworzą tak regularne zwinięte kształty, teraz określiliśmy strukturę tych włókien w szczegółach atomowych” – powiedział Eagleman z Wydziału Biochemii i Genetyki Molekularnej UVA. „Możemy pokazać, że te modele były błędne, a nasze nowe zrozumienie pomoże utorować drogę technologiom, które mogłyby opierać się na takich miniaturowych śmigłach”.

Dr Edward H. Eagleman z University of Virginia School of Medicine i jego współpracownicy wykorzystali mikroskopię krioelektronową, aby odkryć, jak poruszają się bakterie – kończąc ponad 50-letnią tajemnicę. W poprzednich pracach fotograficznych Eaglemana dołączył do prestiżowej Narodowej Akademii Nauk, jednego z najwyższych wyróżnień, jakie może otrzymać naukowiec. Źródło: Dan Addison | Uniwersytet Komunikacji Wirginii

Schematy „superprofili” bakterii

Różne bakterie zawierają jeden lub więcej przydatków znanych jako wici lub w liczbie mnogiej wici. Wić składa się z tysięcy podjednostek, z których wszystkie są identyczne. Możesz sobie wyobrazić, że taki ogon byłby prosty lub przynajmniej trochę wiotki, ale powstrzymałby bakterie przed poruszaniem się. Wynika to z faktu, że takie formy nie mogą generować rozpędu. Aby przenieść bakterie do przodu, potrzebny jest obrotowy, podobny do przełącznika wentylator. Naukowcy nazywają opracowanie tego kształtu „super-skręceniem” i po ponad 50 latach badań wiedzą, jak to robią bakterie.

Eagleman i współpracownicy odkryli, że białko tworzące wić może istnieć w 11 różnych stanach za pomocą krio-EM. Kształt klucza jest kształtowany przez precyzyjną kombinację tych stanów.

Wiadomo, że wentylator w bakteriach różni się znacznie od podobnych wentylatorów używanych przez jednokomórkowe organizmy sercowe zwane archeonami. Archeony znajdują się w najbardziej ekstremalnych środowiskach na Ziemi, takich jak prawie wrzące stawy.[{” 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.