Sådan svømmer bakterier:Forskere opdager nye mekanismer

Når patogener invaderer en menneskelig vært, har de brug for maksimal evne til at bevæge sig gennem kroppen, mens de navigerer i ugunstige miljøer og forårsager infektion. Deres evne til at bore sig gennem gel-lignende omgivelser er ofte muliggjort gennem rotationen af ​​en snoet, halelignende maskine kendt som flagellum.

Hvordan bakterier bevæger sig rundt, overlever og forårsager infektion i kroppen, har fascineret videnskabsmænd, men rollerne for visse nøglespillere involveret i mekanismen for motilitet er stadig dårligt forstået. Nu har Yale-forskere for første gang visualiseret en unik ringstruktur, der stabiliserer flagellens motor og forbedrer bakteriel bevægelse. Forskerne offentliggjorde deres resultater i Proceedings of the National Academy of Sciences den 7. marts.

Flagella driver bakterier gennem kroppen

"Bakteriers flageller skal generere et højt drejningsmoment for at hjælpe dem med at bevæge sig i deres miljø," siger Jun Liu, Ph.D., professor i Institut for Mikrobiel Patogenese og Mikrobiel Videnskab, og seniorforfatter af undersøgelsen. "Vi fandt en struktur, der er en brik i puslespillet, der hjælper os med at forstå, hvorfor nogle bakterier kan svømme og spredes i forskellige værtsmiljøer for at forårsage infektion."

Flagellen har tre komponenter - motoren, krogen og filamentet. Rotationen af ​​filamentet tillader bakterier at bevæge sig rundt i deres miljø. Motoren, der er indlejret i bakteriecellemembranen, roterer – ligesom en bilmotor drejer under motorhjelmen på køretøjet – for at drive glødetrådens bevægelse udenfor.

Denne motor indeholder en stor struktur kendt som C-ringen, som kræver hjælp fra mindre, dynamiske strukturer kendt som statorer for at kunne rotere. Når en bakterie skal bevæge sig, rekrutterer den statorer til C-ringen, hvor de gennemgår en konformationsændring og bliver forlænget. Derefter driver kraften fra strømmen af ​​brintioner gennem statorkanalerne C-ringens rotation, som igen driver motoren og filamentet til at rotere.

"Før vidste vi ikke, hvad statorerne præcist gør for at rotere motoren," siger Shuaiqi Guo, Ph.D., associeret forsker og førsteforfatter af undersøgelsen. I 2020 fandt holdet ud af, at statorerne ikke kun oplever en konformationsændring, men også roterer, ligesom tandhjul, der driver remmen på en motor. Disse slanke, fleksible strukturer skal rotere meget hurtigt, og uden stabilisering ville denne hurtige rotation introducere ustabilitet til hele motoren. Medlemmerne af Liu-laboratoriet ønskede at finde ud af, hvordan statorerne forbliver på plads, mens de roterer, og i deres seneste undersøgelser fandt de ud af, at denne evne er muliggjort af et protein kaldet FliL.

"Dette protein har været meget mystisk på området i tredive år," siger Guo. "Det er meget vigtigt for bakteriel motilitet i komplekse miljøer, men videnskabsmænd har ihærdigt diskuteret dets funktion og struktur."

Cryo-EM på Yale afslører flagellar fremdrift

For bedre at forstå FliLs rolle i flagellar motilitet brugte holdet en teknik kaldet kryo-elektrontomografi. Teknologien gav et nærbillede i høj opløsning af flagellerne fra den borreliose-fremkaldende Borrelia burgdorferi og mavesår-fremkaldende Helicobacter pylori. De fandt ud af, at FliL-proteiner, som også er ringformede, er ansvarlige for at holde statorerne på plads. Individuelle FliL-ringe, opdagede holdet, er vigtige for samlingen og stabiliseringen af ​​hver af de seksten statorer omkring C-ringen. De fandt også ud af, at genetisk sletning af dette protein i alvorlig grad forringer bakteriers evne til at bevæge sig. "FliL er en vigtig del af flagellumets gearkasse, der tillader motoren at rotere," siger Guo. "Uden denne komponent er det som om gearkassen mangler en skrue, og motoren falder fra hinanden, når den roterer hurtigt."

Motilitet er afgørende for bakteriers evne til at forårsage sygdom. Hvis bakterier ikke kan bevæge sig i kroppen, er farlige infektioner langt mindre sandsynlige. Forskerne håber på at blive ved med at opbygge deres viden om, hvordan bakterier bevæger sig og forårsager sygdom, med det ultimative mål at designe terapier, der hæmmer bakteriebevægelser. Større indsigt i motilitet kan også hjælpe videnskabsmænd med at udvikle effektive lægemiddelleveringsteknikker. "Hvis vi kender alle komponenterne i maskinen, der hjælper bakterier med at bevæge sig, kan vi prøve at konstruere og gøre brug af det til medicinske applikationer," siger Guo.

"Vi har gjort trinvise fremskridt med at forstå denne fascinerende maskine," siger Liu. "Vi håber at fortsætte med at arbejde på dette i årtier for at løse, hvordan flagellerne fra forskellige bakterier unikt udviklede sig. Vi har lige rørt toppen af ​​isbjerget med at forstå denne smukke struktur."