Изследователи надникнаха през високотехнологичен микроскоп към внезапно замразени протеини и разрешиха 50-годишната мистерия на начина, по който бактериите и техните древни врагове – археите – реално плуват.

Отдавна знаем, че те използват малка навита „опашка“, наречена флагелум, но подробности за начина, по който този израстък реално придобива въпросната специфична форма, за да ги избутва напред, бе неясен. Досега.

В животинските клетки флагелумът функционира по начин, сходен с опашките, които познаваме – той се върти наляво-надясно и избутва тялото напред. Но клетките на бактериите, както и тези на третото владение на живота – едноклетъчните археи – разполагат с флагелум с формата на тирбушон, който не може да генерира тласък единствено и само със странични движения.

Всъщност тези малки навити опашки се извиват като своеобразно витло. Тяхната извита структура, изглежда, може да се разтяга и свива досущ като играчката слинки, което позволява на микробите да създават различни форми на вълната чрез своите ротации. Тези ротации могат да променят и посоката.

Флагелумът и на бактериите, и на археите са съставени от едни и същи повтарящи се подединици от протеина флагелин. Типът флагелин обаче, който се среща в опашката на археите, е по-сходен с друг тип клетъчен израстък, който откриваме в бактерията, наречена пили.

Структурните различия на флагелума при бактериите и археите. Източник: Kreutzberger et al., Cell, 2022.

Биофизикът Марк Кройцбергер от Университета на Вирджиния и неговите колеги използват крио-електронна томография, за да проучат молекулярната структура на нишките на флагеулма на субатомно ниво в подобната на пръчка бактерия Escherichia coli и археята Saccharolobus islandicus.

Те откриват, че при бактерията протеиновите нишки могат да съществуват в 11 различни състояния, докато при археите – в 10. Благодарение на комбинацията от тези състояния структурата като цяло успява да се извие по гореспоменатия специфичен начин и при двата микроба (въпреки разликите в структурата на протеина).

Образуваната в резултат на това структура тип супернамотка е толкова стабилна, че може да устои на стреса, оказван от усукването, и да запази извитата си форма, докато се върти – поне докато флагелумът не промени посоката си на въртене.

При E. coli плуването право напред се осъществява тогава, когато флагелумът се върти обратно по часовниковата стрелка. Но когато бактерията промени посоката на въртене на своята опашка, силите, които оказват влияние върху флагелума, променят структурата му и разхлабват супернамотката, която вече има по-скоро къдрава форма. Това от своя страна променя и посоката на плуване.

Източник: Kreutzberger et al., Cell, 2022

Тези промени, породени от посоката на въртене, не се наблюдават при археите, макар че когато учените променят средата, в която се намират (като добавят соли или киселини), те повлияват и на структурата на флагелума.

Да, бактериите и археите имат различни структури и са еволюирали независимо. Въпреки това природата е създала флагелума и на двата организма по такъв начин, че да има една и съща форма и функция – един прекрасен пример за конвергентна еволюция.

Птиците, прилепите и пчелите летят с помощта на крила, еволюирали независими едни от други. Същото е и при бактериите и археите – еволюцията се е спряла над сходно решение, което да позволи и на двата организма да плуват, обяснява биохимикът Едуард Егелман от Университета на Вирджиния.

„Нашите нови открития ще проправят път за технологии, които могат да бъдат базирани на подобни миниатюрни витла“, допълва той.

Изследването е публикувано в Cell.

Източник: Science Alert