Hvordan bakterier turboladede deres motorer

Ved hjælp af detaljerede 3D-billeder, forskere har vist, hvordan bakterier har udviklet molekylære motorer med forskellige kræfter for at optimere deres svømning.

Opdagelsen, af et team fra Imperial College London, giver indsigt i evolution på molekylær skala.

Bakterier bruger molekylære motorer, der kun er titusinder af nanometer brede til at dreje en hale (eller 'flaglum'), der skubber dem gennem deres habitat. Ligesom menneskeskabte motorer, strukturen af ​​disse nanoskalamaskiner bestemmer deres kraft og bakteriernes svømmeevne.

Tidligere, holdet fra Institut for Biovidenskab i Imperial kiggede på disse motorer og opdagede en nøglefaktor, der afgjorde, hvor stærkt bakterier kunne svømme. Ligesom menneskeskabte motorer, bakteriemotorer har forskellige 'stator' og 'rotor' komponenter, der spinder mod hinanden.

Holdet fandt ud af, at jo flere statorstrukturer den bakterielle motor besad, jo større dens drejekraft, og jo stærkere svømmede bakterien. På trods af disse forskelle, DNA-sekvensanalyse viser, at kernemotorerne er forfædres beslægtede. Dette fik forskere til at stille spørgsmålstegn ved, hvordan struktur og svømmediversitet udviklede sig fra det samme kernedesign.

Nu, i ny forskning offentliggjort i dag i tidsskriftet Videnskabelige rapporter , forskerne var i stand til at bygge et 'slægtstræ' af bakteriemotorer ved at kombinere 3D-billeddannelse med DNA-analyse. Dette gjorde det muligt for dem at forstå, hvordan forfædres motorer kan have set ud, og hvordan de kunne have udviklet sig til de sofistikerede motorer, man ser i dag.

Holdet fandt en klar forskel mellem motorerne i primitive og sofistikerede bakteriearter. Mens mange primitive arter havde omkring 12 statorer, mere sofistikerede arter havde omkring 17 statorer. Det her, sammen med DNA-analyse, antydede, at gamle motorer også kun havde 12 statorer.

Denne klare adskillelse mellem primitive og sofistikerede arter repræsenterer et "kvantespring" i evolutionen, ifølge forskerne. Deres undersøgelse afslører, at stigningen i motorkraftkapacitet sandsynligvis er resultatet af, at eksisterende strukturer smelter sammen. Dette danner et strukturelt stillads for at inkorporere flere statorer, som kombineres for at drive rotation med højere kraft.

Ledende forsker Dr. Morgan Beeby sagde:"Vi er vant til at observere evolution på skalaen af ​​dyr eller planter, såsom at giraffens hals langsomt bliver længere med tiden for at nå tidligere utilgængelig mad.

"Imidlertid, udviklingen på molekylær skala er meget mere radikal. Det er ligesom en giraf, der får børn med halse, der pludselig er en meter længere."

For at gennemføre undersøgelsen, holdet visualiserede en række motorer fra forskellige arter af bakterier ved hjælp af en variant af en metode kaldet kryo-valgsmikroskopi, hvis pionerer blev tildelt Nobelprisen i kemi i år. Metoden går ud på at lynfryse motorerne inde i levende celler. Når først er frosset, de kan afbildes fra alle vinkler for at opbygge et 3-D billede af, hvordan motoren ser ud inde i cellen.

De byggede derefter et 'slægtstræ' af arten ved hjælp af DNA-sekvensanalyse, som relaterede deres svømmeevne og motoriske egenskaber. De fandt ud af, at bakterier med 17 eller flere statorer, og deres pårørende, havde ekstra strukturer knyttet til deres motorer.

Forskerne mener, at disse ekstra strukturer smeltede sammen i sofistikerede bakterier for at give et større stillads til at understøtte flere statorer.

Imidlertid, de siger også, at dette sandsynligvis ikke var en engangsbegivenhed. De ekstra strukturer ser ud til at have udviklet sig mange gange i forskellige arter af bakterier, bruger forskellige byggeklodser, men producerer den samme funktionalitet.

De samme funktioner, der udvikler sig uafhængigt i helt forskellige organismer, er set før i dyre- og planteriget. For eksempel, insekter, flagermus og fugle har alle udviklede vinger, der ligner hinanden i funktion, men har helt forskellig oprindelse, øjne er dukket op flere gange, og der er gode beviser for, at nervesystemer også har udviklet sig flere gange, med nogle væsner, der besidder mærkelige systemer i modsætning til de hjerner og rygmarv, vi er vant til.

Dr. Beeby sagde:"Bakteriemotorer er komplekse maskiner, men med undersøgelser som denne kan vi se, hvordan de har udviklet sig i forskellige trin. I øvrigt, 'springet' fra 12 statorer til 17, mens en stor innovation, har et aspekt af 'biologisk uundgåelighed' på samme måde som vinger, øjne, eller nervesystemer hos højere dyr:forløberne for højt drejningsmoment har udviklet sig flere gange, og et sæt af dem endte med at smelte sammen og danne det stillads, vi beskriver i vores arbejde."

Han tilføjede:"Evolution er en kreativ proces, trækker ofte på variationer over et tema. Den udsender konstant nye molekylære ideer, hvoraf mange fejler, men nogle bliver uundgåeligt indset flere gange. Vi har set dette hos dyr, og nu ser vi også denne proces i den nanoskopiske verden af ​​molekylær evolution."