Наноскопические изображения раскрывают детали бактериальных моторов
Нанометрическая 3D-визуализация показала, как разные бактерии "настроили" свои крошечные моторы-пропеллеры для широкого спектра способностей к плаванию.
Многие бактерии плавают с помощью жгутиков — длинных хвостов, прикрепленных к крошечным белковым моторам шириной всего в десятки нанометров. Эти моторы вращают жгутики, которые работают как нанопропеллеры.
Несмотря на одинаковую базовую структуру моторов у разных бактерий, их плавательная способность сильно различается. Например, Campylobacter jejuni (возбудитель пищевого отравления) может плавать достаточно мощно, чтобы проникать через слизь, выстилающую кишечник — среду слишком густую и липкую для других бактерий.
Используя новый мощный электронный микроскоп в Имперском колледже Лондона, команда под руководством доктора Моргана Биби смогла визуализировать эти моторы с беспрецедентной детализацией. Их работа объясняет различия в плавательной способности, математически учитывая разницу в мощности моторов. Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Как устроены моторы
Бактериальные жгутиковые моторы работают по вращательному механизму. Команда обнаружила, что более сильные пловцы эволюционировали, добавляя дополнительные части к своим моторам, что увеличивает их крутящий момент (вращающую силу).
Вращающая сила создается кольцом структур, называемых статорами, вокруг мотора. У Campylobacter jejuni оказалось почти вдвое больше статоров, расположенных вокруг мотора, чем у Salmonella, и эти структуры располагались в более широком кольце. Больше статоров — больше крутящий момент, а увеличенная ширина кольца означает, что отдельные статоры оказывают большее усилие при вращении пропеллера.
Другая изученная бактерия, близкий родственник Vibrio cholerae (возбудителя холеры), имеет мотор промежуточной мощности, так как ей не нужно преодолевать такие вязкие среды, как желудочная слизь.
Метод и значение исследования
Команда использовала метод электронной криотомографии: бактерии быстро замораживали до -180⁰C, что предотвращало образование кристаллов льда, разрушающих структуру. Это позволило получить изображения замороженного мотора со всех углов и построить 3D-модель.
"Впервые мы смогли увидеть и объяснить, как эти наномолекулярные машины эволюционировали у бактерий для колонизации новых сред", — сказал доктор Биби. — "Это дает возможные мишени для лекарств. Мы можем разрабатывать препараты, которые целенаправленно выводят из строя жгутики только у определенных видов бактерий".
Изучая эволюционно далекие бактерии, команда предполагает, что способность изменять крутящий момент таким образом могла возникнуть до двух миллиардов лет назад.
"Целые ветви бактериального семейного древа эволюционировали моторами с разным крутящим моментом, что привело к разнообразию видов, каждый из которых приспособлен к своей среде", — отметил доктор Биби.
Сейчас команда исследует, как и когда произошли эволюционные шаги, изменившие крутящий момент моторов.