Oamenii de știință rezolvă un mister vechi de 50 de ani – cum se mișcă bacteriile?

Oamenii de știință de la Universitatea din Virginia au rezolvat un mister vechi de zeci de ani.

cercetători din Universitatea din Virginia Facultatea de Medicină și colegii lor au rezolvat un mister de lungă durată despre cum se mișcă E. coli și alte bacterii.

Bacteriile se deplasează înainte prin răsucirea capetele lor lungi, asemănătoare firului, în forme de spirală, care acționează ca evantai improvizate. Cu toate acestea, deoarece „fanii” sunt alcătuiți dintr-o singură proteină, experții sunt nedumeriți cu privire la modul exact în care o fac.

Cazul a fost rezolvat de o echipă internațională condusă de Edward H. Cercetătorii au folosit tehnologia Cryo-EM și modelarea computerizată puternică pentru a dezvălui ceea ce niciun microscop optic convențional nu poate vedea: structura neobișnuită a acestor elice la nivelul atomilor individuali.

„În timp ce modelele au existat de 50 de ani pentru modul în care aceste filamente formează astfel de forme înfăşurate regulate, acum am determinat structura acestor filamente în detaliu atomic”, a spus Eagleman, de la Departamentul de Biochimie şi Genetică Moleculară al UVA. „Putem arăta că aceste modele au fost greșite, iar noua noastră înțelegere va ajuta la deschiderea drumului către tehnologii care ar putea fi bazate pe astfel de elice în miniatură”.

Edward H. Eagleman, PhD, de la Universitatea din Virginia, Școala de Medicină, și colaboratorii săi au folosit microscopia crio-electronică pentru a dezvălui modul în care bacteriile se mișcă – punând capăt unui mister de peste 50 de ani. Lucrările fotografice anterioare ale lui Eagleman l-au făcut să se alăture prestigioasei Academie Națională de Științe, una dintre cele mai înalte distincții pe care le poate primi un om de știință. Credit: Dan Addison | Universitatea de Comunicații din Virginia

Diagrame ale „super-profilurilor” bacteriilor

Diverse bacterii conțin unul sau mai multe anexe cunoscute sub numele de flageli sau, la plural, flageli. Un flagel este format din mii de subunități, toate identice. S-ar putea să vă imaginați că o astfel de coadă ar fi dreaptă, sau cel puțin oarecum dischetă, dar ar împiedica bacteriile să se miște. Acest lucru se datorează faptului că astfel de forme nu pot genera impuls. Este necesar un ventilator rotativ, asemănător unui comutator, pentru a muta bacteriile înainte. Oamenii de știință numesc dezvoltarea acestei forme „super-răsucire” și acum știu cum o fac bacteriile după mai bine de 50 de ani de cercetare.

Eagleman și colegii săi au descoperit că proteina care alcătuiește flagelul poate exista în 11 stări diferite folosind cryo-EM. Forma cheii este modelată de o combinație precisă a acestor stări.

Se știe că ventilatorul din bacterii este destul de diferit de ventilatoarele similare utilizate de organismele cardiace unicelulare numite arheea. Arheele se găsesc în unele dintre cele mai extreme medii de pe pământ, cum ar fi în iazurile aproape fierbinți.[{” 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.