Научници решавају мистерију стару 50 година – како се крећу бактерије?

Научници са Универзитета Вирџинија решили су деценијама стару мистерију.

истраживачи из Универзитет у Вирџинији Медицинска школа и њихове колеге решили су дугогодишњу мистерију о томе како се Е. цоли и друге бактерије крећу.

Бактерије се крећу напред тако што увијају своје дугачке крајеве налик на нити у спиралне облике, који делују као импровизовани вентилатори. Међутим, пошто су „навијачи“ састављени од једног протеина, стручњаци су збуњени како то тачно раде.

Случај је решио међународни тим на челу са Едвардом Х. Истраживачи су користили Црио-ЕМ технологију и моћно компјутерско моделирање да открију оно што ниједан конвенционални оптички микроскоп не може да види: необичну структуру ових пропелера на нивоу појединачних атома.

„Док су модели постојали већ 50 година како ови филаменти формирају тако правилне намотане облике, сада смо одредили структуру ових филамената у атомским детаљима“, рекао је Иглман, са Одељења за биохемију и молекуларну генетику УВА. „Можемо показати да су ови модели били погрешни, а наше ново разумевање ће помоћи да се отвори пут технологијама које би могле бити засноване на таквим минијатурним пропелерима.

Др Едвард Х. Иглман са Медицинског факултета Универзитета у Вирџинији и његови сарадници користили су криоелектронску микроскопију да открију како се бактерије крећу – чиме је окончана мистерија која траје више од 50 година. Иглманов претходни фотографски рад довео је до тога да се придружио престижној Националној академији наука, што је једно од највећих признања које научник може добити. Кредит: Дан Аддисон | Универзитет комуникација Вирџиније

Дијаграми „супер-профила“ бактерија

Различите бактерије садрже један или више додатака познатих као флагеле, или у множини, флагелла. Флагелум се састоји од хиљада подјединица, од којих су све идентичне. Можете замислити да би такав реп био раван, или барем донекле гипкав, али би спречио бактерије да се померају. То је због чињенице да такви облици не могу створити замах. За померање бактерија напред потребан је ротирајући вентилатор налик прекидачу. Научници називају развој овог облика „супер-увијањем“, а сада знају како бактерије то раде након више од 50 година истраживања.

Еаглеман и његове колеге открили су да протеин који чини флагелум може постојати у 11 различитих стања користећи крио-ЕМ. Облик кључа је обликован прецизном комбинацијом ових стања.

Познато је да се вентилатор у бактеријама прилично разликује од сличних лепеза које користе једноћелијски срчани организми звани археје. Археје се налазе у неким од најекстремнијих окружења на земљи, као што су скоро кипућа језера.[{“ 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.