Grafiskt abstrakt. Kredit:Cell (2022). DOI:10.1016/j.cell.2022.08.009
University of Virginia School of Medicine forskare och deras medarbetare har löst ett årtionden gammalt mysterium om hur E. coli och andra bakterier kan röra sig.
Bakterier pressar sig själva framåt genom att linda långa, trådlika bihang till korkskruvsformer som fungerar som provisoriska propellrar. Men hur exakt de gör detta har förbryllat forskarna, eftersom "propellrarna" är gjorda av ett enda protein.
Ett internationellt team ledd av UVA:s Edward H. Egelman, Ph.D., en ledare inom området högteknologisk kryoelektronmikroskopi (cryo-EM), har knäckt fallet. Forskarna använde cryo-EM och avancerad datormodellering för att avslöja vad inget traditionellt ljusmikroskop kunde se:den märkliga strukturen hos dessa propellrar på nivån för enskilda atomer.
"Medan modeller har funnits i 50 år för hur dessa filament kan bilda så regelbundna lindade former, har vi nu bestämt strukturen för dessa filament i atomär detalj", säger Egelman, vid UVA:s institution för biokemi och molekylär genetik. "Vi kan visa att dessa modeller hade fel, och vår nya förståelse kommer att hjälpa till att bana väg för teknik som kan baseras på sådana miniatyrpropellrar."
Blueprints för bakteriers "supercoils"
Olika bakterier har ett eller flera bihang som kallas flagellum, eller i plural flagella. Ett flagellum består av tusentals underenheter, men alla dessa underenheter är exakt likadana. Man kan tro att en sådan svans skulle vara rak, eller i bästa fall lite flexibel, men det skulle göra att bakterierna inte kan röra sig.
Det beror på att sådana former inte kan generera dragkraft. Det krävs en roterande, korkskruvsliknande propeller för att driva en bakterie framåt. Forskare kallar bildandet av denna form "supercoiling", och nu, efter mer än 50 år, förstår de hur bakterier gör det.
Med hjälp av cryo-EM fann Egelman och hans team att proteinet som utgör flagellumet kan existera i 11 olika stater. Det är den exakta blandningen av dessa tillstånd som gör att korkskruvens form bildas.
Det har varit känt att propellern i bakterier är helt annorlunda än liknande propellrar som används av rejäla encelliga organismer som kallas archaea. Arkéer finns i några av de mest extrema miljöerna på jorden, som i nästan kokande syrapölar, botten av havet och i petroleumavlagringar djupt nere i marken.
Egelman och kollegor använde cryo-EM för att undersöka flagellerna hos en form av archaea, Saccharolobus islandicus, och fann att proteinet som bildar dess flagellum finns i 10 olika stater. Även om detaljerna var helt annorlunda än vad forskarna såg i bakterier, var resultatet detsamma, med filamenten som bildade vanliga korkskruvar.
De drar slutsatsen att detta är ett exempel på "konvergent evolution" - när naturen kommer fram till liknande lösningar på mycket olika sätt. Detta visar att även om bakterier och archaeas propellrar är lika i form och funktion, så utvecklade organismerna dessa egenskaper oberoende av varandra.
"Som med fåglar, fladdermöss och bin, som alla oberoende har utvecklat vingar för att flyga, har utvecklingen av bakterier och arkéer konvergerat till en liknande lösning för simning i båda", säger Egelman, vars tidigare avbildningsarbete såg honom invald i National Academy of Sciences, en av de högsta utmärkelser en vetenskapsman kan få. "Eftersom dessa biologiska strukturer uppstod på jorden för miljarder år sedan, kanske de 50 åren som det har tagit att förstå dem inte verkar så långa."
Forskningen publicerades i Cell . + Utforska vidare
