Крючок жгутика: разгадка механизма бактериальной подвижности

Жгутик — мощная наномашина, позволяющая бактериям плавать в поисках пищи. Однако его точная механика оставалась загадкой.

Исследователи из Окинавского института науки и технологий (OIST) показали, что бактерии передают движение от внутреннего мотора к внешнему «хвосту» через гибкий сустав жгутика — крючок. Это открытие, опубликованное в Nature Structural & Molecular Biology, может помочь в борьбе с опасными инфекциями.

Крючок действует как динамичный сустав, передающий крутящий момент из клетки для вращения внешнего филамента. Используя криогенную электронную микроскопию (cryo-EM), учёные выяснили, как крючок может быть одновременно гибким и жёстким, хотя состоит из одного типа белка. Разные субъединицы этого белка могут принимать как минимум одиннадцать конформаций, что позволяет структуре крючка динамично меняться.

«В то время как внешний филамент, как считается, существует в двух состояниях, у крючка, по-видимому, нет фиксированной конфигурации», — говорит профессор Маттиас Вольф, старший автор исследования. — «Это противоречит предполагаемой "модели двух состояний" и объясняет, как возможна такая динамичная структура».

«Жгутик — удивительное творение. Его ротор, статор, приводной вал, втулка, подшипники и пропеллероподобный хвост синхронизируются, чтобы толкать бактерию через вязкую жидкость со скоростью в несколько длин тела в секунду», — добавляет доктор Сатоси Сибата, ведущий автор работы.

Метод исследования

Группа Вольфа использовала cryo-EM для реконструкции трёхмерной структуры крючка бактериального жгутика. С помощью профессора Син-Ити Айдзавы (Префектуральный университет Хиросимы) учёные очистили структуру крючка, охладили её до криогенных температур, мгновенно заморозили и сфотографировали. Полученные изображения были собраны в 3D-модель с использованием высокопроизводительного кластера OIST.

Структура и функция крючка

Крючок состоит примерно из 130 субъединиц, каждая из которых представляет собой один тип белка. Каждая субъединица состоит из трёх доменов, действующих как жёсткие тела, соединённых двумя гибкими шарнирами. Идентичные по химическому составу субъединицы могут принимать одиннадцать различных состояний. Это разнообразие позволяет крючку принимать множество конформаций и переключаться между ними при изгибе.

Эти изменения вдоль спиральной формы крючка позволяют крутящему моменту передаваться от вращающегося мотора через его спираль, в конечном итоге вращая внешний филамент. Комбинация жёстких тел, соединённых шарнирами, объясняет, как крючок может быть одновременно гибким и жёстким. Учёные подтвердили, что эта особенность сохраняется у нескольких распространённых видов бактерий, что указывает на её общий характер.

Практическое значение

Модельным организмом в исследовании была Salmonella enterica — патоген человека и основная причина смертности в развивающихся странах. Подвижность имеет решающее значение для способности бактерий вызывать заболевание, а крючок необходим для подвижности. Нарушение подвижности, возможно, через воздействие на крючок, может стать ценной стратегией профилактики заболеваний.