A tudósok megfejtettek egy 50 éves rejtélyt – hogyan mozognak a baktériumok?

A baktériumok úgy haladnak előre, hogy a hosszú, cérnaszerű függelékeket spirális alakzatokká csavarják, amelyek rögtönzött legyezőként működnek.

A Virginiai Egyetem tudósai több évtizedes rejtélyt oldottak meg.

származó kutatók Virginia Egyetem Az Orvostudományi Kar és kollégáik megfejtették az E. coli és más baktériumok mozgásának régóta fennálló rejtélyét.

A baktériumok úgy haladnak előre, hogy hosszú, cérnaszerű végeiket spirál alakúakká csavarják, amelyek rögtönzött rajongóként működnek. Mivel azonban a „rajongók” egyetlen fehérjéből állnak, a szakértők értetlenül állnak a tekintetben, hogy pontosan hogyan csinálják.

Az ügyet egy nemzetközi csapat oldotta meg, amelyet Edward H. A kutatók Cryo-EM technológiát és nagy teljesítményű számítógépes modellezést alkalmaztak annak feltárására, amit egyetlen hagyományos optikai mikroszkóp sem láthat: ezeknek a légcsavaroknak a szokatlan szerkezetét az egyes atomok szintjén.

„Míg 50 éve léteznek modellek arra vonatkozóan, hogy ezek a filamentumok hogyan alakítanak ki ilyen szabályos tekercseket, mostanra atomi részletességgel meghatároztuk ezeknek a filamenteknek a szerkezetét” – mondta Eagleman, az UVA Biokémiai és Molekuláris Genetikai Tanszékének munkatársa. „Meg tudjuk mutatni, hogy ezek a modellek tévedtek, és az új felfogásunk segíteni fog olyan technológiák előtt, amelyek ilyen miniatűr légcsavarokon alapulhatnak.”

Edward H. Eagleman, PhD, a Virginia Egyetem Orvostudományi Karának munkatársa és munkatársai krio-elektronmikroszkóppal próbálták feltárni, hogyan mozognak a baktériumok – ezzel véget vetve egy több mint 50 éves rejtélynek. Eagleman korábbi fotográfiai munkája során csatlakozott a tekintélyes Nemzeti Tudományos Akadémiához, amely az egyik legmagasabb kitüntetés, amelyet egy tudós kaphat. Köszönetnyilvánítás: Dan Addison | Virginia Kommunikációs Egyetem

A baktériumok „szuperprofiljának” diagramjai

Különféle baktériumok egy vagy több függeléket tartalmaznak, amelyek flagellaként vagy többes számban flagella néven ismertek. A flagellum több ezer alegységből áll, amelyek mindegyike azonos. Elképzelhető, hogy egy ilyen farok egyenes, vagy legalábbis kissé hajlékony, de megakadályozza a baktériumok mozgását. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy az ilyen formák nem tudnak lendületet generálni. A baktériumok előremozdításához forgó, kapcsolószerű ventilátor szükséges. A tudósok „szupercsavarodásnak” nevezik ennek az alaknak a kifejlesztését, és több mint 50 évnyi kutatás után már tudják, hogyan teszik ezt a baktériumok.

Eagleman és munkatársai felfedezték, hogy a flagellumot alkotó fehérje 11 különböző állapotban létezhet krio-EM segítségével. A kulcs alakját ezen állapotok pontos kombinációja alakítja.

Ismeretes, hogy a baktériumokban lévő ventilátor teljesen különbözik az egysejtű, archaea nevű szívorganizmusok által használt hasonló ventilátoroktól. Az archaeák a Föld legszélsőségesebb környezeteiben találhatók, például a szinte forrásban lévő tavakban.[{” 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.