Многие виды плавающих бактерий имеют вращающуюся структуру, называемую «жгутик», состоящую из более чем двадцати различных видов белков. Вращая свои жгутиковые нити и получая движение, бактерии могут свободно плавать в воде. Подвижность, опосредованная жгутиками, необходима бактериям для перемещения в поисках лучших мест обитания, и на сегодняшний день известны две формы: (i) «бег и кувыркание», наблюдаемые у перитрихиальных бактерий, таких как Escherichia coli; и (ii) «бег вперед-назад-щелчок», наблюдаемый у Vibrio alginoliticus. Такие формы подвижности, опосредованной жгутиками, перенимаются при движении в воде, но они также перенимаются патогенными бактериями для достижения наших внутренних органов. Таким образом, они широко признаны факторами вирулентности.
Хотя опосредованная бактериальными жгутиками подвижность тесно связана с вирулентностью, также известно, что она играет важную роль в обеспечении функционирования нескольких симбиотических систем между животными и бактериями. Например, кальмары-бобтейлы не могут излучать свет сами по себе, поэтому они включают Aliivibrio fischeri, вид биолюминесцентных бактерий, чтобы рассеивать свой внешний вид при лунном свете и избегать попадания в руки хищников. Подвижность биолюминесцентных бактерий необходима для работы этих симбиотических отношений. Другой пример можно увидеть с бобовыми жуками, признанными сельскохозяйственными вредителями, которые, как известно, приобретают устойчивость к инсектицидам за счет включения бактерий рода Burkholderia. Жгутиковая подвижность бактерий также играет важную роль в работе этой формы симбиоза.
Между кишечником бобового жука и его симбиотическим органом есть чрезвычайно узкий суженный проход, заполненный богатой полисахаридами слизью. Доктор Кикучи и его команда ранее сообщали, что только симбионт Burkholderia с подвижностью может пройти через этот суженный проход, в то время как бактерии мутантного штамма, лишенные подвижности, не могут. Интересно, что предыдущие исследования показали, что подвижные несимбионты, такие как кишечная палочка, не могут пройти через этот суженный проход и, следовательно, не могут достичь симбиотического органа. Подобный суженный проход существует и у бобтейлов, и известно, что только биолюминесцентные бактерии могут избирательно проходить через него. Однако вопрос «Почему пройти могут только симбионты?» остается без ответа. Начав это исследование, наша команда предположила, что «симбиотические симбионты Burkholderia обладают уникальным механизмом подвижности, который позволяет им проходить через суженную область».
Визуализация жгутиковых нитей
Опосредованная жгутиками подвижность симбионта Burkholderia должна быть напрямую захвачена, чтобы подтвердить нашу гипотезу. Однако жгутиковая нить имеет диаметр всего около 20 нм (100 000 часть 2 мм) и может быть захвачена только при наблюдении под электронным микроскопом. Обнаружив, что жгутиковые нити можно визуализировать под флуоресцентным микроскопом при обработке тела клетки флуоресцентными красителями, мы решили эту проблему. Кроме того, с помощью камеры EMCCD, которая считается самым чувствительным типом камеры в мире, мы смогли зафиксировать движение жгутиковых нитей со скоростью 400 кадров в секунду. Из этого наблюдения мы обнаружили, что симбионт Burkholderia может плавать со скоростью 25 мкм/с (примерно в десять раз больше длины его тела), вращая жгутиковую нить со скоростью 150 оборотов в секунду.
Открытие третьей формы подвижности, опосредованной жгутиками
Только известные формы подвижности, демонстрируемые другими бактериями, такими как E.coli наблюдались с симбионтом Burkholderia в обычных жидких средах. Доктор Йошиаки Киносита, член исследовательской группы, создал среду, имитирующую липкое внутреннее состояние суженного прохода, с помощью метилцеллюлозы. В то время как нормальные формы подвижности наблюдались, как и в средах с низкой вязкостью, он также мог успешно наблюдать плавание, обернутое жгутиковыми нитями, часто в этих условиях. Это движение обертывания жгутиков не соответствует ни одной из известных форм подвижности, опосредованной жгутиками, и может быть описано как третья форма подвижности, опосредованной жгутиками. Эффективность подвижности снизилась примерно вдвое и, таким образом, была ниже, чем у других форм подвижности, когда симбионт Burkholderia перемещался в вязкой жидкости в этой подвижной форме, как сверло..
Опосредованная жгутиками скользящая подвижность
Почему симбионт Burkholderia демонстрирует уникальную форму подвижности, даже если его эффективность низка? Когда мы поместили E. coli, не являющуюся симбионтом, в те же условия, мы смогли получить интересные результаты. Со временем кишечная палочка привязалась к поверхности стекла и не могла двигаться. Напротив, не было замечено, чтобы клетки Burkholderia захватывались стеклом и не могли двигаться. При ближайшем рассмотрении симбионты Burkholderia, передвигающиеся с нормальными подвижными формами, были пойманы, но затем они обернули свои жгутики и освободились, получив возможность свободно передвигаться по стеклянной поверхности. Кроме того, с помощью флуоресцентного микроскопа полного внутреннего отражения, который позволяет наблюдать с высоким разрешением вблизи поверхности стекла, мы смогли показать, что существует контакт между жгутиковой нитью и поверхностью стекла, когда проявляется скользящая подвижность. Учитывая, что поверхность стекла неровная, можно предположить, что жгутиковая нить, обернутая вокруг тела клетки, идеально вписывается в канавки поверхности, вращается и создает движение, обеспечивающее эффективную подвижность на твердых поверхностях. Таким образом, эта третья форма подвижности может быть описана как необходимая для эффективного перемещения по поверхностям внеклеточного матрикса.
Визуализация движения жгутика у симбиотических бактерий кальмара
Является ли движение по обертыванию жгутиков уникальным для симбионтов симбионтов Burkholderia? Чтобы ответить на этот вопрос, мы рассмотрели A. fischeri, симбионта бобтейлов. Как и бобовые жуки, бобовые кальмары обладают механизмом избирательного включения симбиотических бактерий, и известно, что только подвижные A. fischeri способны достигать симбиотических органов. Когда A. fischeri обрабатывали флуоресцентными красителями и наблюдали так же, как симбионт Burkholderia, мы обнаружили, что A. fischeri также плавает, обвивая свои жгутиковые нити вокруг своего тела. Это подразумевает возможность того, что недавно открытая третья форма подвижности, опосредованной жгутиками, может быть принята многими различными видами симбиотических бактерий.
Это исследование показало, что переход от нормальных форм подвижности к подвижности жгутиковых нитей достигается за счет изменения направления вращения жгутика с против часовой стрелки на по часовой стрелке. Однако это изменение направления вращения также можно наблюдать у E. coli и других видов бактерий, у которых нет оборачивания жгутика. Поэтому переход к третьей форме моторики нельзя объяснить только изменением направления вращения. На следующем этапе мы займемся этим вопросом посредством структурного анализа белков, необходимых для запуска третьей формы жгутиковой подвижности, и исчерпывающего анализа генов. Кроме того, мы проанализируем опосредованную жгутиками подвижность внутри тела хозяина и посмотрим, происходит ли переключение формы плавание/скольжение конкретно в кишечнике бобового жука. Это исследование покажет, является ли форма нормальной подвижности или форма с обертыванием жгутика более эффективной при движении внутри суженного прохода. Ожидается, что благодаря тщательному выявлению взаимосвязи между симбиозом и разнообразными формами подвижности, проявляемыми бактериями на генном уровне, на основе наших исследований последует разработка новых инсектицидов, предотвращающих заражение и колонизацию симбионтов.