När patogener invaderar en mänsklig värd behöver de maximal förmåga att röra sig genom kroppen när de navigerar i ogynnsamma miljöer och orsakar infektion. Deras förmåga att borra sig genom gelliknande omgivningar är ofta möjlig genom rotationen av en snirklig, svansliknande maskin som kallas flagellum.

Hur bakterier rör sig, överlever och orsakar infektioner i kroppen har fascinerat forskare, men rollerna för vissa nyckelspelare som är involverade i mekanismen för motilitet är fortfarande dåligt förstådda. Nu, för första gången, har Yale-forskare visualiserat en unik ringstruktur som stabiliserar flagellets motor och förbättrar bakterierörelser. Forskarna publicerade sina resultat i Proceedings of the National Academy of Sciences den 7 mars.

Flagella driver bakterier genom kroppen

"Bakteriernas flageller måste generera högt vridmoment för att hjälpa dem att röra sig i sin miljö", säger Jun Liu, Ph.D., professor vid Institutionen för mikrobiell patogenes och mikrobiologiska vetenskaper, och senior författare till studien. "Vi hittade en struktur som är en pusselbit som hjälper oss förstå varför vissa bakterier kan simma och spridas inom olika värdmiljöer för att orsaka infektion."

Flagellen har tre komponenter - motorn, kroken och glödtråden. Glödtrådens rotation gör att bakterier kan röra sig i sin miljö. Motorn som är inbäddad i bakteriecellsmembranet roterar – precis som en bilmotor snurrar under motorhuven på fordonet – för att driva glödtrådens rörelse utanför.

Denna motor innehåller en stor struktur som kallas C-ringen, som kräver hjälp av mindre, dynamiska strukturer som kallas statorer för att kunna rotera. När en bakterie behöver flytta, rekryterar den statorer till C-ringen, där de genomgår en konformationsförändring och blir förlängda. Sedan driver kraften från flödet av vätejoner genom statorkanalerna C-ringens rotation, som i sin tur driver motorn och glödtråden att rotera.

"Förut visste vi inte vad statorerna gör exakt för att rotera motorn", säger Shuaiqi Guo, Ph.D., biträdande forskare och första författare till studien. År 2020 fann teamet att statorerna inte bara upplever en konformationsförändring utan också roterar, som växlar som driver remmen på en motor. Dessa slanka, flexibla strukturer måste rotera mycket snabbt, och utan stabilisering skulle denna snabba rotation introducera instabilitet i hela motorn. Medlemmarna i Liu-labbet ville ta reda på hur statorerna stannar på plats när de roterar, och i sina senaste studier fann de att denna förmåga möjliggörs av ett protein som kallas FliL.

"Det här proteinet har varit väldigt mystiskt på området i trettio år", säger Guo. "Det är mycket viktigt för bakteriell motilitet i komplexa miljöer, men forskare har debatterat häftigt dess funktion och struktur."

Cryo-EM på Yale avslöjar flagellarframdrivning

För att bättre förstå FliLs roll i flagellär motilitet använde teamet en teknik som kallas kryo-elektrontomografi. Tekniken gav en högupplöst, närbild av flagellerna från borrelia burgdorferi som orsakar borrelia och magsår orsakade Helicobacter pylori. De fann att FliL-proteiner, som också är ringformade, är ansvariga för att hålla statorerna på plats. Individuella FliL-ringar, upptäckte teamet, är viktiga för montering och stabilisering av var och en av de sexton statorerna runt C-ringen. De fann också att genetiskt radering av detta protein allvarligt försämrar bakteriers förmåga att röra sig. "FliL är en viktig del av flagellumets växellåda som låter motorn rotera", säger Guo. "Utan den här komponenten är det som att växellådan saknar en skruv och motorn faller isär när den roterar snabbt."

Motilitet är avgörande för bakteriers förmåga att orsaka sjukdomar. Om bakterier inte kan röra sig i kroppen är farliga infektioner mycket mindre sannolika. Forskarna hoppas kunna fortsätta bygga sin kunskap om hur bakterier rör sig och orsakar sjukdom, med det slutliga målet att designa terapier som hämmar bakterierörelser. Större insikter i motilitet kan också hjälpa forskare att utveckla effektiva läkemedelsleveranstekniker. "Om vi ​​känner till alla komponenter i maskinen som hjälper bakterier att flytta kan vi försöka konstruera och använda den för medicinska tillämpningar", säger Guo.

"Vi har gjort stegvisa framsteg när det gäller att förstå denna fascinerande maskin", säger Liu. "Vi hoppas kunna fortsätta arbeta med detta i årtionden för att lösa hur flagellerna från olika bakterier unikt utvecklats. Vi har precis vidrört toppen av isberget för att förstå denna vackra struktur."