Как природа строит наномашины
Жгутики — это крошечные вращающиеся моторы, которые приводят в движение бактерии. Исследовательская группа под руководством Кейичи Намбы, профессора Университета Осаки, использовала криоэлектронную микроскопию, чтобы показать, что небольшая разница всего в несколько аминокислот может сильно повлиять на функцию жгутика. Исследование дает новое представление о конструировании синтетических наномашин и опубликовано в Nature Communications.
Жгутиковый мотор можно разделить на три субъединицы: спиральный пропеллер (филамент), универсальный шарнир (крючок) и приводной вал (стержень). Крючок гибкий и передает крутящий момент филаменту, в то время как стержень очень жесткий и может вращаться с частотой >1000 Гц у некоторых бактерий. Крючок имеет длину 55 нм и ширину 18 нм, а стержень — 20 нм в длину и 13 нм в ширину. Структурно крючок состоит из одного белка FlgE, а стержень — из нескольких белков, но только FlgG находится в непосредственном контакте с крючком. FlgE и FlgG включают два домена, которые, как считается, ответственны за очень разные механические свойства стержня и крючка, хотя во многом эти домены почти идентичны.
«Разные функции можно объяснить тем, как упакованы домены, — сказал Намба, чья лаборатория изучает наномашины в природе. — В стержне они плотно упакованы, что делает его жестким. В крючке домены разнесены, что придает ему гибкость».
Изображения криоэлектронной микроскопии высокого разрешения и соответствующие атомные модели показали, что разная упаковка связана с небольшим различием в наклоне доменов на 7°. Этот наклон в 7° уменьшает плотность упаковки, что позволяет протофиламенту крючка сжиматься и расширяться, объясняя его гибкость.
Намба отметил, что, хотя белки схожи, одна конкретная часть в белке FlgG длиннее на 18 аминокислот. Чтобы подтвердить, что именно эти аминокислоты определяют жесткость стержня, его команда вставила их в белок крючка и обнаружила, что крючок стал намного жестче.
«Вставка из 18 аминокислот показывает, как небольшие изменения могут кардинально изменить поведение наномашины», — сказал он.
Понимание структурного дизайна жгутикового мотора, как ожидается, предоставит «чертеж» для синтетического конструирования подобных наномашин.