Используя подробные 3D-изображения, исследователи показали, как бактерии развили молекулярные моторы различной мощности, чтобы оптимизировать свое плавание.
Открытие, сделанное командой из Имперского колледжа Лондона, дает представление об эволюции на молекулярном уровне.
Бактерии используют молекулярные моторы шириной всего в десятки нанометров, чтобы раскручивать хвост (или «жгутик»), который толкает их через среду обитания. Подобно двигателям, созданным человеком, структура этих наноразмерных машин определяет их мощность и способность бактерий плавать.
Ранее команда из Департамента наук о жизни в Imperial изучила эти двигатели и обнаружила ключевой фактор, определяющий, насколько сильно бактерии могут плавать. Подобно двигателям, созданным человеком, бактериальные двигатели имеют отдельные компоненты «статор» и «ротор», которые вращаются друг против друга.
Команда обнаружила, что чем большим количеством статорных структур обладает бактериальный двигатель, тем больше его вращающая сила и тем сильнее плавает бактерия. Несмотря на эти различия, анализ последовательности ДНК показывает, что основные моторы имеют наследственное родство. Это заставило ученых задаться вопросом, как структура и разнообразие плавания развились из одной и той же основной конструкции.
Теперь, в новом исследовании, опубликованном сегодня в журнале Scientific Reports, исследователи смогли построить «генеалогическое древо» бактериальных двигателей, объединив 3D-изображение с анализом ДНК. Это позволило им понять, как могли выглядеть двигатели предков и как они могли эволюционировать в сложные двигатели, которые можно увидеть сегодня.
Команда обнаружила четкую разницу 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 двигатели также могли иметь только 12 статоров.
По словам исследователей, это четкое разделение между примитивными и сложными видами представляет собой «квантовый скачок» в эволюции. Их исследование показывает, что увеличение мощности двигателя, вероятно, является результатом слияния существующих структур. Это образует структурную основу для включения большего количества статоров, которые в совокупности обеспечивают вращение с большей силой.
Ведущий исследователь д-р Морган Биби сказал: «Мы привыкли наблюдать за эволюцией в масштабах животных или растений, например, шея жирафа постепенно удлиняется, чтобы добраться до ранее недоступной пищи».
"Однако эволюция на молекулярном уровне гораздо более радикальна. Это как у жирафа, у которого рождаются дети, шея которых вдруг становится на метр длиннее."
Для проведения исследования команда визуализировала ряд двигателей различных видов бактерий, используя вариант метода, называемого криоэлективной микроскопией, пионеры которого были удостоены Нобелевской премии по химии в этом году. Метод включает в себя мгновенное замораживание двигателей внутри живых клеток. После замораживания их можно отобразить со всех сторон, чтобы создать трехмерную картину того, как двигатель выглядит внутри клетки.
Затем они построили «генеалогическое древо» видов, используя анализ последовательности ДНК, который связал их способность плавать и двигательные свойства. Они обнаружили, что бактерии с 17 или более статорами и их родственники имеют дополнительные структуры, прикрепленные к их моторам.
Исследователи считают, что эти дополнительные структуры слились в сложных бактериях, чтобы обеспечить более крупный каркас для поддержки большего количества статоров.
Однако они также говорят, что это, скорее всего, не было разовым событием. Дополнительные структуры, по-видимому, эволюционировали много раз у разных видов бактерий, используя разные строительные блоки, но выполняя одни и те же функции.
Одни и те же функции, развивающиеся независимо у совершенно разных организмов, ранее наблюдались в животном и растительном царствах. Например, у насекомых, летучих мышей и птиц развились крылья, которые сходны по функциям, но имеют совершенно разное происхождение, глаза появлялись несколько раз, и есть убедительные доказательства того, что нервная система также развивалась несколько раз, причем некоторые существа обладают странными системами, непохожими на другие. мозг и спинной мозг, к которым мы привыкли.
Д-р Биби сказал: «Бактериальные двигатели - это сложные машины, но с помощью подобных исследований мы можем увидеть, как они развивались отдельными шагами. аспект «биологической неизбежности» так же, как крылья, глаза или нервная система у высших животных: предшественники высокого крутящего момента эволюционировали несколько раз, и один их набор в конечном итоге слился, чтобы сформировать каркас, который мы описываем в нашей работе.."
Он добавил: «Эволюция - это творческий процесс, часто основанный на вариациях на тему. Он постоянно производит новые молекулярные идеи, многие из которых терпят неудачу, но некоторые неизбежно реализуются несколько раз. Мы видели это у животных, а теперь мы видим этот процесс и в наноскопическом мире молекулярной эволюции».