Эволюция движения бактерий раскрыта

Международная команда с исследователями из Лейдена выяснила, как бактерия перепрофилировала внутреннюю систему для контроля своих движений. Контроль движения очень важен для вторжения в организм хозяина, что может привести к заболеванию. Публикация 27 апреля в Nature Communications.

Бактерии от «носа» до «хвоста»

Клетки полны сложных систем, происхождение которых остаётся загадкой. У бактерий известно девятнадцать различных систем, основанных на «обонянии», — так называемых хемосенсорных систем. В опубликованном исследовании учёные обнаружили предковую хемосенсорную систему модельного вида бактерии Escherichia coli у нескольких других бактерий, таких как патогенная Pseudomonas aeruginosa и Vibrio cholerae — бактерия, вызывающая холеру. Кроме того, исследование раскрыло происхождение хемосенсорной системы E. coli, включая эволюционные шаги, которые привели к современной E. coli. Эти находки могут помочь в разработке противомикробных средств, использующих хемосенсорную систему в качестве мишени. Со стороны Лейдена в исследовании участвовали соавтор-корреспондент Ариан Бригель, профессор ультраструктурной биологии в Институте биологии Лейдена, и аспирантка, второй автор Вэнь Ян.

Бактерии двигаются на основе хемосенсорных сигналов «запаха» в окружающей среде. Сигналы «запаха» достигают бактерию через её «нос», активируя внутреннюю систему для контроля направления вращения жгутиков. Жгутики — это вращающиеся «хвосты», которые многие бактерии используют для навигации в среде. Они направляют бактерию к чему-то привлекательному и от чего-то отталкивающего. Эти сигналы «запаха» очень важны для патогенных бактерий, чтобы иметь возможность вторгаться в организм хозяина.

Система в условиях стресса

Когда исследователи изучили бактерии в условиях стресса от голодания, они обнаружили, что при этих условиях у бактерий Vibrio cholerae и Pseudomonas aeruginosa появлялась другая форма хемосенсорной системы. Проследив эволюционную историю системы, выяснилось, что это предковая форма системы, присутствующей в E. coli. Исследователи обнаружили, что эта древняя форма в серии эволюционных шагов взяла на себя функции другой хемосенсорной системы и получила контроль над жгутиковым мотором. Комбинация двух систем теперь составляет хемосенсорную систему у современных бактерий E. coli. Эта находка показывает пример того, как сложные системы перепрофилировались в ходе эволюции.

Микроскопия при ледяном холоде

Исследователи смогли изучить бактерии с помощью крио-электронной микроскопии и биоинформатики. Внутри крио-электронного микроскопа температура составляет почти -200°C. Очень быстро замораживая микробы, их сохраняют в первозданном виде в стекловидном льду. С помощью криотомографии исследователи делают сотни снимков бактерий на разных стадиях и могут реконструировать микробы в трёх измерениях с макромолекулярным разрешением. Бригель и другие собирали данные в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене, Калифорния. В Лейдене имеются аналогичные установки для крио-электронной микроскопии в Нидерландском центре электронной наноскопии (NeCEN), где Бригель занимает должность содиректора.