Vědci řeší 50 let starou záhadu – jak se pohybují bakterie?

Bakterie se pohybují vpřed kroucením dlouhých vláknitých přívěsků do spirálových tvarů, které fungují jako provizorní vějíře.

Vědci z University of Virginia rozluštili desítky let starou záhadu.

výzkumníci z University of Virginia Lékařská fakulta a jejich kolegové vyřešili dlouhodobou záhadu toho, jak se E. coli a další bakterie pohybují.

Bakterie se pohybují vpřed kroucením svých dlouhých nitkovitých konců do spirálovitých tvarů, které fungují jako provizorní vějíře. Protože se však „fanoušci“ skládají z jediného proteinu, odborníci jsou zmateni, jak přesně to dělají.

Případ byl vyřešen mezinárodním týmem v čele s Edwardem H. Vědci pomocí technologie Cryo-EM a výkonného počítačového modelování odhalili to, co žádný běžný optický mikroskop nevidí: neobvyklou strukturu těchto vrtulí na úrovni jednotlivých atomů.

„Přestože již 50 let existují modely toho, jak tato vlákna vytvářejí takové pravidelné stočené tvary, nyní jsme určili strukturu těchto vláken v atomových detailech,“ řekl Eagleman z oddělení biochemie a molekulární genetiky UVA. „Můžeme ukázat, že tyto modely byly špatné, a naše nové porozumění pomůže připravit cestu pro technologie, které by mohly být založeny na takových miniaturních vrtulích.“

Edward H. Eagleman, PhD, z University of Virginia School of Medicine, a jeho spolupracovníci použili kryo-elektronovou mikroskopii, aby odhalili, jak se bakterie pohybují, čímž ukončili více než 50letou záhadu. Za předchozí fotografickou práci Eaglemana vstoupil do prestižní Národní akademie věd, což je jedno z nejvyšších vyznamenání, jaké může vědec získat. Kredit: Dan Addison | Virginia Communications University

Schémata „superprofilů“ bakterií

Různé bakterie obsahují jeden nebo více přídavků známých jako bičíky nebo v množném čísle bičíky. Bičík se skládá z tisíců podjednotek, z nichž všechny jsou identické. Mohli byste si představit, že takový ocas by byl rovný nebo alespoň trochu poddajný, ale bránil by bakteriím v pohybu. To je způsobeno skutečností, že takové formy nemohou generovat hybnost. K pohybu bakterií vpřed je zapotřebí rotující ventilátor podobný spínači. Vědci vývoj tohoto tvaru nazývají „super-twisting“ a nyní po více než 50 letech výzkumu vědí, jak to bakterie dělají.

Eagleman a kolegové zjistili, že protein, který tvoří bičík, může existovat v 11 různých stavech pomocí kryo-EM. Tvar klíče je utvářen přesnou kombinací těchto stavů.

Je známo, že ventilátor u bakterií je zcela odlišný od podobných ventilátorů používaných jednobuněčnými srdečními organismy nazývanými archaea. Archaea se nachází v některých z nejextrémnějších prostředí na Zemi, například v téměř vařících rybnících.[{“ 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.