Как бактерии усилили свои моторы

Используя детальные 3D-изображения, исследователи показали, как бактерии эволюционировали молекулярные моторы разной мощности для оптимизации своего движения.

Открытие команды из Имперского колледжа Лондона даёт представление об эволюции на молекулярном уровне.

Бактерии используют молекулярные моторы шириной всего в десятки нанометров, чтобы вращать хвост (или «жгутик»), который толкает их через среду обитания. Как и созданные человеком моторы, структура этих наномасштабных машин определяет их мощность и способность бактерий к движению.

Ранее команда из Департамента наук о жизни Имперского колледжа изучила эти моторы и обнаружила ключевой фактор, определяющий, насколько сильно бактерии могут плавать. Как и двигатели, созданные человеком, бактериальные моторы имеют отдельные компоненты «статора» и «ротора», которые вращаются друг относительно друга.

Команда обнаружила, что чем больше статорных структур имеет бактериальный мотор, тем больше его вращающий момент и тем сильнее плывёт бактерия. Несмотря на эти различия, анализ последовательностей ДНК показывает, что основные моторы связаны общим происхождением. Это заставило учёных задаться вопросом, как из одного базового дизайна эволюционировали структурное и двигательное разнообразие.

Теперь, в новом исследовании, опубликованном в журнале Scientific Reports, исследователи смогли построить «генеалогическое древо» бактериальных моторов, объединив 3D-визуализацию с анализом ДНК. Это позволило им понять, как могли выглядеть предковые моторы и как они могли эволюционировать в современные сложные моторы.

Команда обнаружила чёткое различие между моторами примитивных и сложных видов бактерий. В то время как у многих примитивных видов было около 12 статоров, у более сложных видов было около 17 статоров. Это, вместе с анализом ДНК, позволило предположить, что древние моторы, возможно, также имели только 12 статоров.

Это чёткое разделение между примитивными и сложными видами представляет собой «квантовый скачок» в эволюции, по мнению исследователей. Их исследование показывает, что увеличение мощности мотора, вероятно, является результатом слияния существующих структур. Это формирует структурный каркас для включения большего количества статоров, которые вместе вращают жгутик с большей силой.

Ведущий исследователь доктор Морган Биби сказал: «Мы привыкли наблюдать эволюцию в масштабе животных или растений, например, как шея жирафа медленно удлинялась со временем, чтобы дотянуться до ранее недоступной пищи. Однако эволюция на молекулярном уровне гораздо более радикальна. Это как если бы у жирафа родились дети с шеями, внезапно ставшими на метр длиннее».

Для проведения исследования команда визуализировала ряд моторов от разных видов бактерий, используя вариант метода крио-электронной микроскопии, пионеры которого были удостоены Нобелевской премии по химии в этом году. Метод включает мгновенную заморозку моторов внутри живых клеток. После заморозки их можно снимать со всех углов, чтобы построить 3D-картину того, как мотор выглядит внутри клетки.

Затем они построили «генеалогическое древо» видов с помощью анализа последовательностей ДНК, которое связало их способность к движению и свойства моторов. Они обнаружили, что у бактерий с 17 или более статорами и их родственников к моторам были прикреплены дополнительные структуры.

Исследователи полагают, что эти дополнительные структуры слились у сложных бактерий, чтобы обеспечить больший каркас для поддержки большего количества статоров.

Однако они также отмечают, что это, вероятно, было не единичным событием. Похоже, дополнительные структуры эволюционировали много раз у разных видов бактерий, используя разные строительные блоки, но производя одинаковую функциональность.

Ранее независимая эволюция одинаковых функций у совершенно разных организмов наблюдалась в царствах животных и растений. Например, насекомые, летучие мыши и птицы независимо развили крылья, схожие по функции, но имеющие совершенно разное происхождение; глаза возникали многократно, и есть веские доказательства того, что нервные системы также эволюционировали несколько раз, причём у некоторых существ есть странные системы, не похожие на привычные нам мозг и спинной мозг.

Доктор Биби сказал: «Бактериальные моторы — сложные машины, но с такими исследованиями мы можем видеть, как они эволюционировали отдельными шагами. Более того, «скачок» с 12 до 17 статоров, будучи великим нововведением, имеет аспект «биологической неизбежности», подобно крыльям, глазам или нервным системам у высших животных: предшественники высокого крутящего момента эволюционировали многократно, и один набор из них в итоге слился, образовав каркас, который мы описываем в нашей работе».

Он добавил: «Эволюция — это творческий процесс, часто черпающий вариации на одну тему. Она постоянно выдаёт новые молекулярные идеи, многие из которых терпят неудачу, но неизбежно некоторые реализуются многократно. Мы видели это у животных, и теперь мы видим этот процесс и в наноскопическом мире молекулярной эволюции».