Afslutning på et 50-årigt mysterium afslører videnskabsmænd, hvordan bakterier kan bevæge sig

University of Virginia School of Medicine forskere og deres samarbejdspartnere har løst et årtier gammelt mysterium om, hvordan E. coli og andre bakterier er i stand til at bevæge sig.

Bakterier presser sig selv frem ved at vikle lange, trådagtige vedhæng til proptrækkerformer, der fungerer som provisoriske propeller. Men hvordan de præcis gør dette, har forbløffet videnskabsmænd, fordi "propellerne" er lavet af et enkelt protein.

Et internationalt team ledet af UVA's Edward H. Egelman, Ph.D., en leder inden for højteknologisk kryo-elektronmikroskopi (cryo-EM), har løst sagen. Forskerne brugte cryo-EM og avanceret computermodellering til at afsløre, hvad intet traditionelt lysmikroskop kunne se:den mærkelige struktur af disse propeller på niveau med individuelle atomer.

"Mens modeller har eksisteret i 50 år for, hvordan disse filamenter kan danne sådanne regelmæssige spiralformer, har vi nu bestemt strukturen af ​​disse filamenter i atomare detaljer," sagde Egelman, fra UVA's Department of Biochemistry and Molecular Genetics. "Vi kan vise, at disse modeller var forkerte, og vores nye forståelse vil hjælpe med at bane vejen for teknologier, der kunne være baseret på sådanne miniaturepropeller."

Blueprints for bakteriers 'supercoils'

Forskellige bakterier har et eller mange vedhæng kendt som et flagelum, eller i flertal flagella. En flagel er lavet af tusindvis af underenheder, men alle disse underenheder er nøjagtig ens. Du tror måske, at sådan en hale ville være lige eller i bedste fald en smule fleksibel, men det ville lade bakterierne være ude af stand til at bevæge sig.

Det er fordi sådanne former ikke kan generere fremdrift. Det kræver en roterende, proptrækker-lignende propel at skubbe en bakterie fremad. Forskere kalder dannelsen af ​​denne form "supercoiling", og nu, efter mere end 50 år, forstår de, hvordan bakterier gør det.

Ved hjælp af cryo-EM fandt Egelman og hans team ud af, at proteinet, der udgør flagellen, kan eksistere i 11 forskellige stater. Det er den præcise blanding af disse tilstande, der får proptrækkerformen til at dannes.

Det har været kendt, at propellen i bakterier er helt anderledes end tilsvarende propeller, der bruges af hjertelige encellede organismer kaldet archaea. Archaea findes i nogle af de mest ekstreme miljøer på Jorden, såsom i næsten kogende syrebassiner, selve havets bund og i petroleumsforekomster dybt nede i jorden.

Egelman og kolleger brugte cryo-EM til at undersøge flagellerne af en form for archaea, Saccharolobus islandicus, og fandt ud af, at proteinet, der danner dens flagelum, findes i 10 forskellige stater. Mens detaljerne var helt anderledes end hvad forskerne så i bakterier, var resultatet det samme, hvor filamenterne dannede almindelige proptrækkere.

De konkluderer, at dette er et eksempel på "konvergent evolution" - når naturen når frem til lignende løsninger via meget forskellige midler. Dette viser, at selvom bakterier og archaeas propeller ligner hinanden i form og funktion, udviklede organismerne disse egenskaber uafhængigt.

"Som med fugle, flagermus og bier, der alle uafhængigt har udviklet vinger til at flyve, er udviklingen af ​​bakterier og arkæer konvergeret til en lignende løsning til svømning i begge," sagde Egelman, hvis tidligere billedbehandlingsarbejde så ham optaget i National Academy of Sciences, en af ​​de højeste udmærkelser, en videnskabsmand kan modtage. "Siden disse biologiske strukturer opstod på Jorden for milliarder af år siden, synes de 50 år, det har taget at forstå dem, måske ikke så lange."

Forskningen blev offentliggjort i Cell . + Udforsk yderligere

Biologer undersøger den mindste propel på Jorden