Архитектура бактериальных «моторов»: новый взгляд

Бактерии, самые многочисленные формы жизни на Земле, обладают сложными механизмами для передвижения. В двух недавних исследованиях Калифорнийского технологического института (Caltech) учёные впервые получили трёхмерные изображения этих наномашин, используя передовую технику — электронную криотомографию.

Технология визуализации

Метод электронной криотомографии позволяет получать 3D-изображения целых клеток с разрешением от 2 до 5 нанометров. Клетки мгновенно замораживают, фиксируя их структуру, а затем с помощью просвечивающего электронного микроскопа создают серию 2D-снимков под разными углами. Эти данные преобразуют в трёхмерную картину, подобно компьютерной томографии (КТ).

Машина пилуса IVa типа (T4PM)

В исследовании, опубликованном 11 марта в журнале Science, команда изучила механизм движения с помощью структуры, известной как машина пилуса IVa типа. Этот механизм позволяет бактерии (на примере Myxococcus xanthus) двигаться, подобно «Человеку-пауку»: пилус (длинный вырост) прикрепляется к поверхности и втягивается, подтягивая клетку вперёд.

С помощью криотомографии учёные выявили, что структура состоит из нескольких частей: поры на внешней мембране клетки, четырёх взаимосвязанных кольцевых структур и стеблевидной структуры. Исследуя мутантов, лишённых каждого из 10 основных компонентов T4PM, и сравнивая их с нормальными клетками, исследователи смогли определить расположение всех этих компонентов.

«Мы раскрыли красивую сложность этой машины, которая, возможно, является самым сильным мотором в природе», — говорит профессор Грант Дженсен.

Разнообразие жгутиковых моторов

Во втором исследовании, опубликованном 14 марта в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), та же команда использовала криотомографию для сравнения «тяжёлых» и «лёгких» версий бактериального пропеллера — жгутика.

Оказалось, что мощность мотора коррелирует с количеством дополнительных белковых комплексов, генерирующих крутящий момент (силу вращения). Высокомощные моторы имеют эти комплексы, расположенные на большем радиусе от жгутика, что обеспечивает большее плечо рычага и, следовательно, больший крутящий момент.

Значение метода

Эти исследования демонстрируют, что электронная криотомография позволяет определять полные структуры крупных макромолекулярных комплексов in situ, то есть внутри неповреждённых клеток. В отличие от методов вроде рентгеновской кристаллографии, этот подход не требует очистки комплексов из клеток, что предотвращает потерю компонентов и возможное загрязнение.