Жгутик часто приводится в качестве примера естественной дизайнерской изобретательности - это мощная наномашина, которая позволяет бактериям без особых усилий плавать в поисках пищи. Тем не менее, несмотря на то, что жгутик стал популярным объектом изучения за последние полвека, точная механика жгутика остается загадочной.
Исследователи из Окинавского института науки и технологий (OIST) теперь показывают, как бактерии передают движение от внутреннего двигателя к внешнему хвосту через гибкое соединение в жгутике, известное как крючок. Это открытие, опубликованное в Nature Structural & Molecular Biology, может помочь в борьбе со смертельными бактериальными инфекциями. Лучше поняв, как передвигаются бактерии, исследователи могут улучшить стратегии профилактики заболеваний.
Команда описывает, как жгутиковый крючок действует как динамическое соединение, передающее крутящий момент изнутри клетки для вращения внешнего хвоста, позволяя бактериям двигаться. Используя криогенную электронную микроскопию или крио-ЭМ, они показали, что крючок может быть одновременно гибким и жестким, несмотря на то, что он состоит из одного типа белка. Различные субъединицы этого белка могут принимать как минимум одиннадцать конформаций, что позволяет динамически изменять структуру крючка.
«Хотя считается, что внешняя нить существует в двух состояниях, крючок, по-видимому, не имеет заданной конфигурации», - говорит профессор Маттиас Вольф, старший автор исследования. «Это противоречит предполагаемой «модели с двумя состояниями», которая объясняет функцию крючка, и объясняет, как возможна такая динамическая структура. Эта сложная система является свидетельством способности эволюции к оптимизации на протяжении миллионов лет».
«Жгутик - это удивительный подвиг. Его ротор, статор, приводной вал, втулка, подшипники и похожий на пропеллер хвост синхронизируются, чтобы продвигать бактерии вперед через вязкие жидкости со скоростью несколько длин тела в секунду», - говорит доктор Сатоши. Шибата, ведущий автор статьи. «Во многих отношениях спиралевидная форма крюка превосходит попытки человеческой инженерии создать гибкие соединения».
«При создании модели крючка я был поражен ее превосходной сборкой», - добавляет доктор Хидеюки Мацунами, еще один ведущий автор.
Высокие технологии в бедной жизни
Подразделение молекулярной криоэлектронной микроскопии Вольфа занимается структурными проблемами, реконструируя сложные трехмерные изображения из двумерных снимков, полученных с помощью крио-ЭМ. Ранее подразделение реконструировало ядро вируса Эбола и борющегося с раком вируса долины Сенека.
В этом исследовании команда Вольфа применила крио-ЭМ к жгутиковому крючку бактерий. При поддержке почетного профессора Шин-Ичи Аидзавы из Префектурного университета Хиросимы команда смогла сначала очистить структуру крюка. Затем этот чистый образец охлаждали до криогенных температур и подвергали глубокой заморозке перед фотографированием. Наконец, полученные изображения были собраны, чтобы показать структуру крючка с помощью высокопроизводительного вычислительного кластера OIST..
В то время как крио-ЭМ когда-то генерировала только статические изображения, недавние разработки включают объединение метода с супервычислениями и использование алгоритмов классификации для полного понимания 2D-изображений и 3D-объектов, которые они представляют. Это дает более глубокую информацию с разрешением, близким к атомарному, и позволяет команде рассмотреть взаимосвязь между структурой и функцией.
Жгутиковый крючок представляет собой соединение примерно 130 субъединиц, каждая из которых включает один тип белка. Каждая субъединица состоит из трех доменов, действующих как твердые тела, соединенных двумя гибкими шарнирами. Интересно, что исследователи обнаружили, что эти субъединицы могут принимать одиннадцать различных состояний, несмотря на идентичный химический состав. Эта разновидность позволяет крючку принимать множество форм, и он может переключаться между ними при изгибе.
Эти сдвиги вдоль спиральной формы крючка позволяют крутящему моменту передаваться от вращающегося двигателя через его спираль, в конечном итоге вращая внешнюю нить. Между тем комбинация твердых тел, соединенных шарнирами, объясняет, как крюк может быть одновременно и гибким, и жестким. Команда также подтвердила, что этот конкретный мотив сохраняется у нескольких распространенных видов бактерий, предполагая, что наблюдаемая структура крюка является общей чертой.
Знание того, как работает жгутик, является первым шагом в использовании его функции. Модельный организм, использованный в этом исследовании, Salmonella enterica, является патогеном для человека и основной причиной смерти в развивающихся странах. Подвижность имеет решающее значение для того, чтобы позволить бактериям вызывать заболевания, а крючок необходим для подвижности. Прерывание подвижности, возможно, с помощью крючка, может быть ценной стратегией профилактики заболеваний.