Vedci z University of Virginia rozlúštili desaťročia starú záhadu.

výskumníci z University of Virginia Lekárska fakulta a ich kolegovia vyriešili dlhoročnú záhadu, ako sa E. coli a iné baktérie pohybujú.

Baktérie sa pohybujú vpred skrúcaním svojich dlhých nitkovitých koncov do špirálových tvarov, ktoré fungujú ako provizórne vejáre. Keďže sa však „ventilátory“ skladajú z jediného proteínu, odborníci sú zmätení, ako presne to robia.

Prípad vyriešil medzinárodný tím na čele s Edwardom H. Výskumníci použili technológiu Cryo-EM a výkonné počítačové modelovanie, aby odhalili to, čo žiadny bežný optický mikroskop nevidí: nezvyčajnú štruktúru týchto vrtúľ na úrovni jednotlivých atómov.

„Aj keď už 50 rokov existujú modely toho, ako tieto vlákna vytvárajú také pravidelné stočené tvary, teraz sme určili štruktúru týchto vlákien v atómových detailoch, “ povedal Eagleman z oddelenia biochémie a molekulárnej genetiky UVA. „Môžeme ukázať, že tieto modely boli nesprávne, a naše nové chápanie pomôže pripraviť cestu technológiám, ktoré by mohli byť založené na takýchto miniatúrnych vrtuľách.“

Edward H. Eagleman, PhD, z University of Virginia School of Medicine, a jeho spolupracovníci použili kryo-elektrónovú mikroskopiu na odhalenie, ako sa baktérie pohybujú, čím sa ukončila viac ako 50-ročná záhada. Eagleman sa vďaka svojej predchádzajúcej fotografickej práci stal členom prestížnej Národnej akadémie vied, čo je jedno z najvyšších vyznamenaní, aké môže vedec dostať. Poďakovanie: Dan Addison | Virginia Communications University

Diagramy „superprofilov“ baktérií

Rôzne baktérie obsahujú jeden alebo viac príveskov známych ako bičíky alebo v množnom čísle bičíky. Bičík pozostáva z tisícok podjednotiek, z ktorých všetky sú identické. Môžete si predstaviť, že takýto chvost by bol rovný alebo aspoň trochu pohyblivý, ale zabránil by pohybu baktérií. Je to spôsobené tým, že takéto formy nemôžu vytvárať hybnosť. Aby sa baktérie posunuli dopredu, je potrebný rotujúci ventilátor podobný spínaču. Vedci nazývajú vývoj tohto tvaru „super-krútenie“ a teraz vedia, ako to robia baktérie po viac ako 50 rokoch výskumu.

Eagleman a kolegovia zistili, že proteín, ktorý tvorí bičík, môže existovať v 11 rôznych stavoch pomocou kryo-EM. Tvar kľúča je tvarovaný presnou kombináciou týchto stavov.

Je známe, že ventilátor v baktériách je úplne odlišný od podobných ventilátorov, ktoré používajú jednobunkové srdcové organizmy nazývané archaea. Archaea sa nachádza v niektorých z najextrémnejších prostredí na Zemi, ako napríklad v takmer vriacich rybníkoch.[{“ 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.