Как бактерии выбираются из ловушек: роль сложных жгутиков

Учёные выяснили, как некоторые виды «плавающих» бактерий эволюционировали, чтобы уметь вырываться, когда попадают в тесные пространства.

Это открытие может помочь найти новые способы остановить распространение определённых бактерий, включая виды, вызывающие пищевые отравления и язву желудка.

Многие бактерии могут плавать, что позволяет им искать новые источники питательных веществ или, в случае патогенных бактерий, заражать и распространяться.

Почти все плавающие виды бактерий продвигаются вперёд с помощью штопорообразных пропеллеров, называемых «жгутиками». Бактериальные жгутики состоят из тысяч белковых строительных блоков, расположенных в спиральные цепи.

Междисциплинарная команда учёных, включая исследователей из Йоркского университета, обнаружила, что некоторые типы бактерий эволюционировали сложные жгутики, состоящие из многих различных типов белков, чтобы иметь возможность маневрировать и выбираться из небольших пространств.

Учёные изучили почвенную бактерию Shewanella putrefaciens и обнаружили, что, когда они застревают в тесном пространстве, их многокомпонентные жгутики изгибаются, оборачиваясь вокруг клеточных тел и позволяя им выкручиваться наружу.

Соавтор исследования, доктор Лоуренс Уилсон, отметил: «Вопрос о том, почему у некоторых бактерий, таких как E. coli, жгутики состоят из одного типа белка, а у других — из более сложных, состоящих из многих разных типов, долгое время оставался загадкой. Природа любит простоту. В любой "машине" больше компонентов означает больше вещей, которые могут пойти не так. Наше исследование показало, что сложные жгутики имеют функцию, которая помогает бактериям сбегать, когда они застревают в тесных пространствах. Это преимущество перевешивает затраты на поддержание генов для кодирования различных белковых строительных блоков».

Для исследования учёные Йоркского университета использовали свой опыт в области высокоскоростной голографической микроскопии мирового класса, чтобы отслеживать клетки в 3-D, что позволило увидеть, как клетки используют свои жгутики для плавания и распространения.

Международные коллеги из Института микробиологии и молекулярной биологии в Гиссене, Германия, тщательно установили, где различные строительные блоки находятся внутри отдельных жгутиков. Компьютерные специалисты из Университета Филиппа в Марбурге, Германия, затем построили серию симуляций, которые позволили им протестировать эффект медленного изменения физических свойств жгутика.

Они обнаружили, что строительные блоки в жгутиках Shewanella putrefaciens расположены оптимальным образом, поскольку при удалении или перестановке компонентов жгутиков способность бактерий плавать как в «открытой воде», так и в тесных пространствах ухудшалась.

Доктор Уилсон добавил: «Было обнаружено, что виды бактерий, такие как Campylobacter jejuni (вызывает пищевое отравление) и Helicobacter pylori (вызывает язву желудка), сохраняют несколько компонентов в своих жгутиках. Это исследование даёт нам лучшее понимание физики бактериальной инфекции — знание, которое в будущем может привести к новым способам блокирования передачи вредных инфекций».

Статья «Пространственное расположение нескольких флагеллинов в бактериальных жгутиках улучшает подвижность в различных средах» опубликована в Nature Communications.