Bakterier beveger seg fremover ved å kveile lange, trådaktige vedheng til korketrekkerformer som fungerer som provisoriske propeller.
Forskere fra University of Virginia har løst et flere tiår gammelt mysterium.
Forskere fra University of Virginia School of Medicine og deres kolleger har løst et langvarig mysterium om hvordan E. coli og andre bakterier beveger seg.
Bakterier beveger seg fremover ved å kveile de lange, trådaktige vedhengene til korketrekkerformer, som fungerer som provisoriske propeller. Men siden “propellene” er dannet av ett enkelt protein, er eksperter forundret over hvordan de gjør dette.
Saken er løst av et internasjonalt team ledet av UVAs Edward H. Egelman, Ph.D., en pioner innen det høyteknologiske feltet kryo-elektronmikroskopi (cryo-EM). Cryo-EM og kraftig datamodellering ble brukt av forskerne for å avsløre det ingen tradisjonelle lysmikroskoper kunne se: den uvanlige strukturen til disse propellene på nivå med individuelle atomer.
“Selv om modeller har eksistert i 50 år for hvordan disse filamentene kan danne slike vanlige kveilede former, har vi nå bestemt strukturen til disse filamentene i atomdetaljer,” sa Egelman, ved UVAs avdeling for biokjemi og molekylær genetikk. “Vi kan vise at disse modellene var feil, og vår nye forståelse vil bidra til å bane vei for teknologier som kan være basert på slike miniatyrpropeller.”
Edward H. Egelman, Ph.D., ved University of Virginia School of Medicine, og hans samarbeidspartnere har brukt kryo-elektronmikroskopi for å avsløre hvordan bakterier kan bevege seg – og avsluttet et mysterium på mer enn 50 år. Egelmans tidligere bildearbeid fikk ham innlemmet i det prestisjetunge National Academy of Sciences, en av de høyeste utmerkelsene en vitenskapsmann kan motta. Kreditt: Dan Addison | University of Virginia Communications
Tegninger for bakteriers “Supercoils”
Ulike bakterier har ett eller mange vedheng kjent som et flagellum, eller i flertall, flagella. Et flagellum består av tusenvis av underenheter, som alle er identiske. Du kan forestille deg at en slik hale ville være rett, eller i det minste noe fleksibel, men det ville hindre bakteriene i å bevege seg. Dette skyldes det faktum at slike former ikke kan generere skyvekraft. En roterende, korketrekker-lignende propell er nødvendig for å flytte en bakterie fremover. Forskere kaller utviklingen av denne formen “supercoiling”, og de vet nå hvordan bakterier gjør det etter mer enn 50 år med forskning.
Egelman og kollegene hans oppdaget at proteinet som utgjør flagellen kan eksistere i 11 forskjellige stater ved å bruke cryo-EM. Korketrekkerformen er dannet av den nøyaktige kombinasjonen av disse tilstandene.
Det har vært kjent at propellen i bakterier er ganske annerledes enn tilsvarende propeller som brukes av hjertelige encellede organismer kalt archaea. Archaea finnes i noen av de mest ekstreme miljøene på jorden, for eksempel i nesten kokende bassenger med[{” attribute=””>acid, the very bottom of the ocean and in petroleum deposits deep in the ground.
Egelman and colleagues used cryo-EM to examine the flagella of one form of archaea, Saccharolobus islandicus, and found that the protein forming its flagellum exists in 10 different states. While the details were quite different than what the researchers saw in bacteria, the result was the same, with the filaments forming regular corkscrews. They conclude that this is an example of “convergent evolution” – when nature arrives at similar solutions via very different means. This shows that even though bacteria and archaea’s propellers are similar in form and function, the organisms evolved those traits independently.
“As with birds, bats, and bees, which have all independently evolved wings for flying, the evolution of bacteria and archaea has converged on a similar solution for swimming in both,” said Egelman, whose prior imaging work saw him inducted into the National Academy of Sciences, one of the highest honors a scientist can receive. “Since these biological structures emerged on Earth billions of years ago, the 50 years that it has taken to understand them may not seem that long.”
Reference: “Convergent evolution in the supercoiling of prokaryotic flagellar filaments” by Mark A.B. Kreutzberger, Ravi R. Sonani, Junfeng Liu, Sharanya Chatterjee, Fengbin Wang, Amanda L. Sebastian, Priyanka Biswas, Cheryl Ewing, Weili Zheng, Frédéric Poly, Gad Frankel, B.F. Luisi, Chris R. Calladine, Mart Krupovic, Birgit E. Scharf and Edward H. Egelman, 2 September 2022, Cell.
DOI: 10.1016/j.cell.2022.08.009
The study was funded by the National Institutes of Health, the U.S. Navy, and Robert R. Wagner.