3-D модель показывает работу бактериального мотора

Ученые из Университета Нагои (Япония) и их коллеги из Йельского университета (США) раскрыли детали того, как бактериальный пропеллер, известный как жгутик, переключается между вращением против и по часовой стрелке, что позволяет ему контролировать движение. Результаты опубликованы в журнале eLife и включают модель, показывающую структурные изменения в частях жгутикового мотора.

Бактерии Vibrio — это палочковидные организмы, обитающие в прибрежных водах. Они могут вызывать серьезные кишечные и мягкотканные инфекции, которые в конечном итоге приводят к септическому шоку и полиорганной недостаточности. «Ожидается, что количество инфекций, вызванных Vibrio, увеличится с ростом температуры воды из-за изменения климата», — говорит супрамолекулярный биолог Мичио Хомма из Университета Нагои. «Они развили сложную подвижность, управляемую жгутиками, чтобы облегчить вторжение в организмы хозяев. Мы хотели визуализировать, как их моторы переключаются между вращением по и против часовой стрелки, чтобы лучше понять это движение».

Для этого Хомма и его коллеги использовали передовую технику визуализации — криоэлектронную томографию, при которой изображения замороженных образцов делаются под разными углами наклона для создания 2-D изображений, которые затем объединяются в 3-D реконструкцию. Ученые использовали образцы двух мутантных бактерий Vibrio, жгутики которых вращались только по или против часовой стрелки. Это позволило сравнить два типа движения и вывести изменения, происходящие внутри мотора бактерии для смены направления.

«Наш сравнительный анализ и молекулярное моделирование впервые предоставляют структурные доказательства того, что жгутиковый мотор претерпевает глубокую перестройку для осуществления переключения вращения», — говорит Хомма.

Ученые обнаружили, что переключение с вращения против часовой стрелки на вращение по часовой стрелке включает связывание сигнального белка CheY-P с белком FliM в C-кольце жгутикового мотора. Это заставляет другой моторный белок, FliG, переместиться таким образом, что заряженные остатки на его поверхности становятся доступными для трансмембранного белка PomA, который вместе с другим белком PomB образует неподвижную часть мотора — статор. Взаимодействие между остатками FliG и PomA, вероятно, приводит к изменениям в статоре, которые вызывают поток ионов, генерирующий крутящий момент, что в конечном итоге вращает C-кольцо.

«Криоэлектронная томография быстро развивается, что делает все более возможным раскрытие структуры мотора с более высоким разрешением», — говорит Хомма. «Это текущее исследование предоставляет одно из изображений жгутикового мотора Vibrio с самым высоким разрешением, полученных методом криоэлектронной томографии. Это и будущие исследования углубят наше понимание сборки и функции жгутика».

Исследование было совместной работой Университета Нагои и группы Джуна Лю из Йельского университета. Аспирант Тацуро Нишикино получил поддержку от Интегративной программы последипломного образования и исследований в области естественных наук Университета Нагои.

Статья «The flagellar motor of Vibrio alginolyticus undergoes major structural remodeling during rotational switching» была опубликована онлайн в журнале eLife 7 сентября 2020 года.