Как бактерии строят свои «наномашины»: открыт новый механизм сборки жгутиков

Ученые из Кембриджского университета раскрыли механизм, с помощью которого бактерии строят свои поверхностные «пропеллеры» — жгутики. Эти длинные выросты позволяют бактериям плавать к пище и уходить от опасности. Результаты, опубликованные в журнале Nature, показывают, что механизм приводится в движение самими белковыми субъединицами, которые соединяются в цепь и «протягиваются» к кончику жгутика.

Ранее считалось, что строительные блоки для жгутиков либо выталкиваются, либо диффундируют от основания жгутика через центральный канал для сборки на его конце, который находится далеко за пределами клетки. Однако эти теории несовместимы с новыми данными о постоянной скорости роста жгутиков. Новый, неожиданный цепной механизм, при котором субъединицы, связанные в цепь, «протягивают себя» через жгутик, меняет понимание того, как обеспечивается энергия для сборки.

Исследование возглавили доктор Джиллиан Фрейзер и профессор Колин Хьюз из Департамента патологии университета при финансировании Wellcome Trust.

Экономный двигатель на тепловой энергии

Доктор Льюис Эванс, проводивший эксперименты, отметил: «Поразительно, насколько экономичны бактерии: они способны использовать тепловую свободную энергию развернутых субъединиц и преобразовывать ее в направленный транспорт. Шире — интересно представить, как тепловая энергия (обычно считающаяся «потерянной») может использоваться для управления процессами даже вне живых клеток».

Когда собирается каждая «наномашина» жгутика, тысячи белковых субъединиц производятся в клетке, затем разворачиваются и экспортируются через клеточную мембрану. Как и другие внутриклеточные процессы, эта начальная фаза потребляет химическую энергию (АТФ). Однако, когда субъединицы выходят из клетки в узкий канал растущего жгутика, там нет обычного источника энергии, и им нужно как-то добраться до кончика.

Цепь, тянущая сама себя

Команда показала, что у основания жгутика субъединицы соединяются «голова к хвосту», образуя длинную цепь. Совместно с профессором Евгением Терентьевым из Кавендишской лаборатории они доказали, что цепь протягивается через всю длину канала жгутика за счет энтропийной силы самих развернутых субъединиц. Это создает натяжение в цепи, которое возрастает по мере того, как каждая субъединица сворачивается и встраивается в кончик растущей структуры. Эта тянущая сила автоматически регулируется с увеличением длины жгутика, обеспечивая постоянную скорость доставки субъединиц к месту сборки.

Значение для науки и медицины

Профессор Терентьев отметил, что это открытие применимо в других областях: «Понимание того, как полимеры движутся через каналы, — фундаментальная физическая проблема. Это знание имеет потенциальное применение, например, в нанотехнологиях для создания новых наноматериалов».

По словам Фрейзер, исследование имеет далеко идущие последствия для медицины: «Понимая фундаментальную биологию медицински значимых бактерий и их механизмы сборки жгутиков и родственных молекулярных шприцев для впрыскивания токсинов, мы можем начать разрабатывать новые способы противодействия им».