Как жизнь впервые пришла в движение: природный мотор возрастом в миллиарды лет
Исследование под руководством Оклендского университета пролило свет на эволюционное происхождение одного из первых природных моторов, который развился 3.5–4 миллиарда лет назад для движения бактерий.
Ученые создали наиболее полную на сегодняшний день картину эволюции бактериальных статоров — белков, выполняющих роль, подобную поршням в двигателе автомобиля. Статорные белки находятся в клеточной стенке бактерии и преобразуют заряженные частицы (ионы) в крутящий момент, создавая движущую силу для плавания.
Согласно исследованию, опубликованному в журнале mBio, статоры, вероятно, эволюционировали из белков-переносчиков ионов — молекул, обычных для бактериальных клеточных мембран.
Как древние бактерии приводили себя в движение
Исследование стало возможным благодаря революционному прорыву ИИ DeepMind AlphaFold в 2020 году, который предсказывает трехмерную структуру белков.
В суровой среде ранней Земли бактерии развили встроенный мотор. В бактериях статоры создают мощность для вращения ротора, который крутит жгутик — длинный хвост, толкающий клетку в жидкости, как микроскопический пропеллер.
Чтобы изучить статоры, ученые проанализировали геномные данные более чем 200 бактериальных геномов, построили эволюционные деревья с помощью вычислительных инструментов, смоделировали 3D-структуры белков и провели лабораторные эксперименты.
Прослеживая эволюцию статорных белков
Ученые предсказали последовательности и структуры белков-предков, существовавших миллионы или миллиарды лет назад. Статор обычно состоит из пяти идентичных копий белка MotA и двух копий белка MotB.
Эти "моторные белки" произошли от древней двухбелковой системы, которая развила множество других функций. Это подтверждает идею, что сложные машины эволюционируют, заимствуя более простые машины с простыми функциями.
То, что начиналось как простой механизм для перемещения ионов через мембрану, стало одним из самых долговечных двигателей в природе.
Современные инструменты раскрывают древние секреты
В исследовании ученые сравнили 3D-структуры белков, чтобы выявить ключевые различия и уникальные для статоров черты, такие как области, генерирующие крутящий момент.
Затем были проведены функциональные тесты в лаборатории на бактериях E. coli, лишенных интерфейса, генерирующего крутящий момент. Ни одна из них не могла плавать, что подтвердило важность этой конкретной области для движения.
Несмотря на миллиарды лет эволюции, основные черты этих крошечных двигателей почти не изменились. Инструменты вроде AlphaFold позволяют почти мгновенно исследовать возможные структуры белков и раскрывать, как эти двигатели могли эволюционировать на протяжении истории.