Бактерии точно настраивают свои наномоторы для колонизации разных сред

За примерно 3,5 миллиарда лет на Земле бактерии отточили искусство колонизации всех видов сред обитания. Однако при перемещении между разными средами они сталкиваются с критической проблемой — сохранением своего навигационного аппарата.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, ученые из Техасского университета A&M обнаружили, что жгутики, контролирующие навигацию бактерий, очень точно адаптируются к изменениям вязкости жидкостей. Это позволяет бактерии продолжать использовать жгутики для поиска питательных веществ, ощущения поверхностей и образования колоний.

Чтобы перемещаться к питательным веществам, бактерии используют хемотаксис — процесс, при котором они ощущают химические вещества и плывут в направлении увеличения или уменьшения их концентрации. Роль жгутика в навигации известна — он обратимо переключается между вращением по и против часовой стрелки. Вращение жгутика обеспечивается внутренними статорными единицами.

Более свежие данные свидетельствуют, что жгутик также играет роль в ощущении изменений механической среды клетки — процессе, называемом механосенсингом. Если бактерия сталкивается с увеличением сопротивления вращению жгутиков, это воспринимается как увеличение вязкости среды. В ответ жгутиковый мотор набирает дополнительные статорные единицы, чтобы компенсировать это, развивая больше мощности. Однако исследования также показали, что такое увеличение сопротивления препятствует переключению направления вращения жгутика, что потенциально может вывести из строя механизм хемотаксиса.

Для экспериментов исследователи выбрали штамм E. coli с флуоресцентно-меченым хемотаксисным белком CheY-P, который связывается с жгутиковым мотором, чтобы инициировать переключение. Ученые приложили сопротивление к мотору и наблюдали за уровнем флуоресценции с помощью мощных микроскопов. Они обнаружили, что флуоресценция падала ниже базового уровня, когда они удаляли статорные белки с помощью генетических методов. Для сравнения, уровень флуоресценции оставался на базовом уровне, когда статоры постоянно передавали крутящий момент для вращения мотора. Это предполагало, что присутствие статорных единиц способствует связыванию CheY-P с мотором.

Основываясь на этих наблюдениях, команда предположила, что в средах с высокой вязкостью увеличение механического крутящего момента, обеспечиваемого дополнительными статорными единицами, увеличивает связывание CheY-P с мотором, тем самым поддерживая гомеостаз в функции переключения жгутика.

Это явление тонкой настройки внутреннего состояния для адаптации к изменяющимся механическим нагрузкам имеет грубое сходство с проприоцептивной адаптацией, при которой организмы с нервной системой постоянно интуитивно ощущают свое положение и скорость, чтобы вносить адаптивные изменения для достижения гомеостаза.

«Гомеостаз в переключении жгутиков, по-видимому, помогает подвижным бактериям формировать рои и колонизировать различные среды», — сказал доктор Пушкар Леле. «Объяснение основы наблюдаемой связи между механосенсингом и хемотаксисом будет важно для предотвращения бактериальной колонизации, инфекций и устойчивости к антибиотикам в будущем».