En forskargrupp ledd av professor emeritus Michio Homma (han, honom) och professor Seiji Kojima (han, honom) från Graduate School of Science vid Nagoya University, i samarbete med Osaka University och Nagahama Institute of Bio-Science and Technology, har gjort nya insikter om hur förflyttning uppstår hos bakterier.
Gruppen identifierade FliG-molekylen i flagellskiktet, bakteriernas "motor", och avslöjade dess roll i organismen. Dessa fynd föreslår sätt på vilka framtida ingenjörer kan bygga nanomaskiner med full kontroll över sina rörelser. De publicerade studien i iScience .
När nanomaskiner blir mindre, hämtar forskare inspiration från mikroskopiska organismer för att få dem att röra sig och fungera. Speciellt kan flagellmotorn rotera medurs och moturs med en hastighet av 20 000 rpm. Om den skalas upp skulle den vara jämförbar med en Formel 1-motor med en energiomvandlingseffektivitet på nästan 100 % och kapacitet att ändra rotationsriktningen direkt vid höga hastigheter. Skulle ingenjörer kunna utveckla en enhet som en flagellmotor, skulle det radikalt öka nanomaskiners manövrerbarhet och effektivitet.
Flagellmotorerna i bakterier har en rötor och en stationär komponent som omger den, känd som statorn. Om flagellumet var en del av en bil skulle statorn vara motorn. Statorns rotation överförs till rotorn som ett kugghjul, vilket får rotorn att rotera. Beroende på rotationen rör sig bakterien framåt eller bakåt, som en automatisk bil med back- och körinställningar. Ett proteinkomplex som kallas C-ringen styr denna rörelse.
Inuti C-ringen fungerar FliG-molekylen som kopplingen och växlar från framåt- till bakåtrörelse. Som en bil måste delarna samverka. Minsta förändring kan påverka motorn. I flagellmotorn är dessa små förändringar mutationer. Hommas grupp studerade G215A-mutanten i FliG, som orsakar medurs permanent rotation av motorn, och jämförde den med den icke-muterade formen som kan röra sig både framåt och bakåt.
När de testade G215A-mutanten av den marina organismen Vibrio alginolyticus fann de att denna medurs rörelse berodde på förändringar i FliG och interaktionen mellan vattenmolekyler runt proteinet. De såg också dessa förändringar i normal form när den roterade medurs. Dessa skilde sig dock från de som sågs när den roterade moturs.
"Flagellarmotorn roterar i båda riktningarna:medurs för att gå bakåt och moturs för att gå framåt," sa Homma. "I den här studien fann vi att strukturen hos FliG och interaktionen mellan vattenmolekyler runt den är annorlunda när motorn rör sig medurs och moturs. Denna skillnad gör att bakterier omedelbart kan växla mellan framåt- och bakåtrörelser som svar på miljöförändringar." /P>
"Förtydligandet av de fysiska egenskaperna hos FliG-proteinet i motorer är ett betydande genombrott i vår förståelse av den molekylära mekanismen som växlar motorernas rotationsriktning, vilket föreslår sätt att skapa kompakta motorer med högre energiomvandlingseffektivitet", säger Homma. "Med hjälp av dessa rön kommer det att vara möjligt att designa artificiella nanomaskiner som fritt kan kontrollera deras rotation, vilket förväntas tillämpas på olika framtida områden som medicin och design av artificiellt liv."
Mer information: Tatsuro Nishikino et al, Förändringar i det hydrofoba nätverket i FliGMC-domänen inducerar rotationsväxling av flagellmotorn, iScience (2023). DOI:10.1016/j.isci.2023.107320
Journalinformation: iScience
Tillhandahålls av Nagoya University
