Учёные объяснили, как бактерии меняют направление движения, с помощью модели «перетягивания каната»

Новое исследование предлагает альтернативное объяснение того, как плавающие бактерии меняют направление, бросая вызов десятилетиям господствовавшей модели.

Бактерии перемещаются в жидкости с помощью похожих на пропеллер жгутиков (флагелл), которые вращаются то по часовой стрелке, то против. Новое исследование в Nature Physics от Генри Мэттингли и Юхая Ту из Института Флатирон предлагает новый механизм этого переключения, основанный на активном «перетягивании каната» между удалёнными белками, а не на пассивном «эффекте домино».

Проблема модели «эффекта домино»

Двигатель флагеллы состоит из 34 белков, образующих большое центральное кольцо (C-кольцо), и приводов (статоров), которые пропускают заряженные ионы, создавая вращение. Направление вращения контролируется тем, связывается ли сигнальная молекула CheY-P с белками кольца.

В старой равновесной модели считалось, что если белок-сосед способствует определённому направлению вращения, следующий белок с большей вероятностью «подчинится» и примет то же состояние, вызывая каскадное переключение — «эффект домино».

Однако экспериментальные данные о частоте переключения направления не соответствовали этой модели. Распределение времени вращения в одном направлении имело пик, что невозможно в чисто равновесной системе. «Если вы видите такую картину, эффект не может быть чисто равновесным явлением», — говорит Ту.

«Перетягивание каната» внутри хвоста

Согласно новой модели, кольцо белков действует как одна большая шестерня, а статоры — как маленькие шестерёнки, всегда вращающиеся по часовой стрелке. «Зубья» большой шестерни (белки) могут менять конформацию, касаясь статоров либо с внешнего края (толкая кольцо по часовой стрелке), либо с внутреннего (толкая против часовой стрелки).

Конфликт возникает, когда разные «зубья» принимают разную конформацию. Если один «зуб» оказывается в меньшинстве, при контакте со статором на него действует противоположная механическая сила от всех остальных. «Это как механическое перетягивание каната. Если механическая сила на него слишком велика, он переворачивается, чтобы присоединиться к большинству. Но если достаточно «зубьев» dissent, то весь двигатель меняет направление», — объясняет Мэттингли.

Команда называет этот процесс «глобальной механической связью». Силы, определяющие направление каждого «зуба», зависят не только от взаимодействия с соседями, а от коллективного воздействия всех «зубьев», контактирующих со статорами. Поскольку статоры активно участвуют в переключении, они вводят энергию в систему, выводя её из равновесия и создавая наблюдаемый в экспериментах пик распределения.

Значение для науки

Новая модель подчёркивает, что живые системы всегда работают вне равновесия, рассеивая энергию, что необходимо для биологических функций. Понимание хорошо изученной системы флагеллы помогает тестировать идеи для более сложной биологии и вдохновляет исследования в области бактериальной хемотаксис.