Οι επιστήμονες λύνουν ένα μυστήριο 50 ετών – πώς κινούνται τα βακτήρια;

Τα βακτήρια κινούνται προς τα εμπρός στρίβοντας τα μακριά, σαν κλωστή εξαρτήματα σε σπειροειδή σχήματα που λειτουργούν ως αυτοσχέδιοι ανεμιστήρες.

Επιστήμονες του Πανεπιστημίου της Βιρτζίνια έλυσαν ένα μυστήριο δεκαετιών.

ερευνητές από Πανεπιστήμιο της Βιρτζίνια Η Ιατρική Σχολή και οι συνάδελφοί τους έλυσαν ένα μακροχρόνιο μυστήριο για το πώς κινούνται το E. coli και άλλα βακτήρια.

Τα βακτήρια κινούνται προς τα εμπρός στρίβοντας τις μακριές, σαν κλωστή άκρες τους σε σπειροειδή σχήματα, τα οποία λειτουργούν ως αυτοσχέδιοι ανεμιστήρες. Ωστόσο, επειδή οι «θαυμαστές» αποτελούνται από μία μόνο πρωτεΐνη, οι ειδικοί μπερδεύονται με το πώς ακριβώς το κάνουν.

Η υπόθεση επιλύθηκε από μια διεθνή ομάδα με επικεφαλής τον Edward H. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν την τεχνολογία Cryo-EM και την ισχυρή μοντελοποίηση υπολογιστή για να αποκαλύψουν αυτό που κανένα συμβατικό οπτικό μικροσκόπιο δεν μπορεί να δει: την ασυνήθιστη δομή αυτών των ελίκων σε επίπεδο μεμονωμένων ατόμων.

«Ενώ υπάρχουν μοντέλα εδώ και 50 χρόνια για το πώς αυτά τα νήματα σχηματίζουν τέτοια κανονικά κουλουριασμένα σχήματα, έχουμε τώρα προσδιορίσει τη δομή αυτών των νημάτων με ατομική λεπτομέρεια», δήλωσε ο Eagleman, του Τμήματος Βιοχημείας και Μοριακής Γενετικής της UVA. «Μπορούμε να δείξουμε ότι αυτά τα μοντέλα ήταν λάθος και η νέα κατανόησή μας θα βοηθήσει να ανοίξει ο δρόμος για τεχνολογίες που θα μπορούσαν να βασιστούν σε τέτοιες μικροσκοπικές προπέλες».

Ο Edward H. Eagleman, PhD, της Ιατρικής Σχολής του Πανεπιστημίου της Βιρτζίνια, και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν κρυοηλεκτρονική μικροσκοπία για να αποκαλύψουν πώς κινούνται τα βακτήρια – δίνοντας τέλος σε ένα μυστήριο 50 και πλέον ετών. Η προηγούμενη φωτογραφική δουλειά του Eagleman τον είχε δει να ενταχθεί στη διάσημη Εθνική Ακαδημία Επιστημών, μια από τις υψηλότερες τιμές που μπορεί να λάβει ένας επιστήμονας. Credit: Dan Addison | Πανεπιστήμιο Επικοινωνιών της Βιρτζίνια

Διαγράμματα των «υπερ-προφίλ» των βακτηρίων

Διάφορα βακτήρια περιέχουν ένα ή περισσότερα εξαρτήματα γνωστά ως μαστίγια ή στον πληθυντικό, μαστίγια. Ένα μαστίγιο αποτελείται από χιλιάδες υπομονάδες, οι οποίες είναι όλες πανομοιότυπες. Μπορείτε να φανταστείτε ότι μια τέτοια ουρά θα ήταν ίσια, ή τουλάχιστον κάπως δισκέτα, αλλά θα εμπόδιζε τα βακτήρια να κινηθούν. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τέτοιες μορφές δεν μπορούν να δημιουργήσουν ορμή. Απαιτείται ένας περιστρεφόμενος ανεμιστήρας που μοιάζει με διακόπτη για να μετακινηθούν τα βακτήρια προς τα εμπρός. Οι επιστήμονες αποκαλούν την ανάπτυξη αυτού του σχήματος «σούπερ-στρέβλωση» και τώρα γνωρίζουν πώς το κάνουν τα βακτήρια μετά από περισσότερα από 50 χρόνια έρευνας.

Ο Eagleman και οι συνεργάτες του ανακάλυψαν ότι η πρωτεΐνη που συνθέτει το μαστίγιο μπορεί να υπάρχει σε 11 διαφορετικές καταστάσεις χρησιμοποιώντας κρυο-ΕΜ. Το σχήμα του κλειδιού διαμορφώνεται από έναν ακριβή συνδυασμό αυτών των καταστάσεων.

Ο ανεμιστήρας στα βακτήρια είναι γνωστό ότι είναι αρκετά διαφορετικός από παρόμοιους ανεμιστήρες που χρησιμοποιούνται από μονοκύτταρους καρδιακούς οργανισμούς που ονομάζονται αρχαία. Τα αρχαία βρίσκονται σε μερικά από τα πιο ακραία περιβάλλοντα στη γη, όπως σε λιμνούλες που σχεδόν βράζουν.[{” 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.