Разгадана 50-летняя тайна: учёные выяснили, как бактерии двигаются
Исследователи из Медицинской школы Университета Вирджинии и их коллабораторы решили многолетнюю загадку о том, как E. coli и другие бактерии способны передвигаться.
Бактерии продвигаются вперёд, закручивая длинные нитевидные жгутики в штопорообразные формы, которые действуют как импровизированные пропеллеры. Но как именно они это делают, оставалось загадкой, поскольку «пропеллеры» состоят из одного типа белка.
Международная команда под руководством Эдварда Х. Эгельмана, доктора философии, специалиста по крио-электронной микроскопии (cryo-EM), нашла ответ. Учёные использовали cryo-EM и передовое компьютерное моделирование, чтобы увидеть то, что не мог показать обычный световой микроскоп: странную структуру этих пропеллеров на уровне отдельных атомов.
«Хотя модели того, как эти филаменты формируют такие правильные спиральные формы, существовали 50 лет, мы теперь определили структуру этих филаментов с атомарной детализацией, — сказал Эгельман. — Мы можем показать, что эти модели были ошибочны, и наше новое понимание поможет проложить путь для технологий, которые могут быть основаны на таких миниатюрных пропеллерах».
Чертежи бактериальных «суперспиралей»
Разные бактерии имеют один или множество жгутиков (flagellum/flagella). Жгутик состоит из тысяч субъединиц, но все эти субъединицы абсолютно одинаковы. Можно было бы ожидать, что такой хвост будет прямым или, в лучшем случае, немного гибким, но тогда бактерия не смогла бы двигаться.
Такие формы не могут создавать тягу. Для движения вперёд необходим вращающийся пропеллер в форме штопора. Учёные называют формирование этой формы «суперспирализацией», и теперь, спустя более 50 лет, они поняли, как бактерии это делают.
С помощью cryo-EM команда Эгельмана обнаружила, что белок, из которого состоит жгутик, может существовать в 11 различных состояниях. Именно точное сочетание этих состояний приводит к формированию штопорообразной формы.
Конвергентная эволюция у архей
Известно, что пропеллер у бактерий сильно отличается от похожих пропеллеров, используемых выносливыми одноклеточными организмами — археями. Археи обитают в экстремальных условиях: в почти кипящих кислотных источниках, на дне океана и в глубоких нефтяных месторождениях.
Эгельман и коллеги использовали cryo-EM для изучения жгутиков археи Sacrolobus islandicus и обнаружили, что формирующий их белок существует в 10 различных состояниях. Хотя детали сильно отличались от того, что учёные видели у бактерий, результат был тем же: филаменты формировали правильные штопоры.
Исследователи делают вывод, что это пример конвергентной эволюции — когда природа приходит к сходным решениям совершенно разными путями. Это показывает, что, несмотря на схожесть пропеллеров бактерий и архей по форме и функции, организмы развили эти черты независимо.
«Как птицы, летучие мыши и пчёлы, которые независимо развили крылья для полёта, эволюция бактерий и архей сошлась на похожем решении для плавания, — отметил Эгельман. — Учитывая, что эти биологические структуры появились на Земле миллиарды лет назад, 50 лет, потребовавшиеся для их понимания, могут показаться не такими уж долгими».
Исследование опубликовано в журнале Cell.