Раскрыты секреты подвижности архей

Структура белка двигателя, обеспечивающего движение архей, впервые охарактеризована совместной группой учёных из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Министерство энергетики США) и Института наземной микробиологии им. Макса Планка (Германия).

Двигательная структура этого третьего домена жизни долгое время называлась жгутиком, но, хотя она выполняет схожую функцию, её строение, генетика и эволюция настолько отличаются от бактериального жгутика, что исследователи предлагают собственное название — археллум.

Этот уникальный мотор высококонсервативен у всех подвижных видов архей. Его структура больше всего напоминает бактериальный пилус IV типа — филаментный «абордажный крюк», с помощью которого бактерии прикрепляются к поверхностям и передвигаются.

Поскольку археи также могут быть важными участниками микробиоты кишечника человека, знание структуры археллума поможет понять, как они взаимодействуют с человеческими клетками. Результаты опубликованы в журнале Molecular Cell.

Поиск ключевого белка

В качестве модельного организма использовалась Sulfolobus acidocaldarius. Главным кандидатом на роль в сборке и вращении археллума был белок FlaI — АТФаза, участвующая в работе пилусов IV типа у бактерий.

Эксперименты с удалением (knock-out) гена flaI у гиперподвижных мутантов S. acidocaldarius показали, что без этого белка археллумы не собираются и движение прекращается. При реинтродукции гена подвижность восстанавливалась.

Определение структуры FlaI

Для определения структуры белка FlaI использовали рентгеноструктурный анализ на линии 8.3.1 источника продвинутого света (ALS) в Беркли. Было установлено, что FlaI состоит из двух частей:

  • Глобулярный C-концевой домен (CTD)

  • N-концевой домен (NTD), соединённый гибким линкером и образующий подвижный «наконечник».

Белок связывает молекулу АТФ, отщепляет фосфатную группу, высвобождая энергию, и остаётся связанным с АДФ. После высвобождения АДФ белок связывает новую АТФ.

Исследователям удалось получить кристаллы FlaI в комплексе с АДФ, но не с АТФ. Для изучения структуры в комплексе с АТФ применили малоугловое рентгеновское рассеяние (SAXS) на линии SIBYLS ALS.

Было обнаружено, что при связывании с АТФ мономеры FlaI собираются в плоские шестизвенные кольца — гексамеры, где молекулы АТФ выступают в роли «клея». Структура напоминает корону, где CTD образуют обод, а свободные NTD — зубцы.

Удалось зафиксировать семь различных конформаций, что позволило реконструировать динамику работы моторного комплекса.

Как FlaI строит и вращает археллум

«Корона» FlaI участвует как в сборке, так и во вращении археллума, но не работает в одиночку. Важными компонентами также являются:

В процессе высвобождения фосфата из АТФ команда смогла наблюдать промежуточную конформацию, ранее не описанную. Мгновенно весь мономер FlaI в короне смещается вверх, толкая филамент FlaB и открывая зазор у его основания, куда добавляются новые субъединицы FlaB, обеспечивая рост филамента. Механизм аналогичен таковому у бактериального пилуса IV типа.

Генетические исследования подтвердили двойную роль FlaI. Мутантный штамм, лишённый первых 29 аминокислот в NTD, сохранял способность собирать археллумы, но был неспособен вращать их.

«Это означает, что после сборки происходит "переключение", и филамент начинает вращаться», — говорит Соня-Верена Альберс.

Главной задачей для дальнейших исследований остаётся понять, как поступательное движение мономеров FlaI преобразуется во вращение филамента археллума. Вращается ли весь гексамер (корона FlaI) или только сам археллум?

«Механистическое понимание микробных движений критически важно для оценки их влияния на планетарный круговорот элементов, изменение климата и медицину», — отмечает Джон Тейнер.

Это исследование — первый и пока единственный глубокий структурный анализ белка археллума, приближающий к разгадке тайн третьего домена Древа жизни.