Учёные раскрыли динамику супрамолекулярного мотора у прокариот
Тип IV пили (T4P) — это супрамолекулярные машины, которые обеспечивают "подёргивающую" подвижность, секрецию белков и поглощение ДНК у прокариот. T4P работают как "кошки": цикл выдвижения, прикрепления к поверхности и втягивания заставляет бактерии двигаться по поверхности. Хотя свойства T4P как мотора изучались, механизм регуляции их активации в ответ на сигналы среды оставался неясным из-за сложной координации компонентов и малого диаметра пилей (~ 8 нм).
В исследовании, опубликованном в PNAS, биофизики из Университета Гакусюин (Токио) разработали простые методы визуализации нитей T4P с помощью оптической микроскопии. Они изучали динамику T4P на уровне отдельных клеток цианобактерии Synechocystis sp. PCC6803, которая демонстрирует отрицательный фототаксис (движение от света) с помощью "подёргивающей" подвижности в ответ на синий свет.
Экспериментальная установка и ключевые наблюдения:
- Учёные использовали микроскопию для визуализации активности T4P по распределению полистирольных шариков, захваченных пилями на поверхности обездвиженных клеток.
- При равномерном вертикальном освещении синим светом шарики накапливались равномерно по всей клетке.
- При частичном освещении (только правая половина клетки) шарики накапливались только в освещённой области.
- При боковом освещении синим светом шарики избирательно накапливались на передней стороне клетки (противоположной источнику света), что указывало на повышенную активность T4P именно там. Эта асимметрия объясняет движение от света (отрицательный фототаксис).
Прямая визуализация T4P и роль белка PixD:
- Пометив T4P клеток флуоресцентной меткой (авидин-FITC), исследователи подтвердили, что накопление и выдвижение T4P активируется на передней стороне клетки при боковом освещении.
- В мутанте, лишённом белка PixD (сенсора синего света), распределение T4P было более равномерным. Это указывает, что PixD отвечает за асимметричное распределение T4P, подавляя их накопление на освещённой стороне.
Разрешение кажущегося противоречия:
- Наблюдения показали, что T4P активнее на стороне с более высокой интенсивностью света (передняя сторона), хотя синий свет является "репеллентом".
- Это объясняется микрооптическим эффектом клетки: сферическая клетка действует как линза, фокусируя коллимированный свет на стороне, противоположной источнику. Таким образом, "передняя" сторона клетки фактически получает больше света. Для микроорганизма размером с длину волны видимого света это разумная стратегия, так как создать структуру для затенения невозможно.
Хронология активации T4P:
Количественный анализ показал следующую динамику после воздействия синего света:
- 0–0,2 минуты: T4P выдвигаются равномерно, вызывая "извивающееся" движение клетки.
- Далее: T4P равномерно присутствуют на всей поверхности, вызывая случайное "подёргивающее" движение.
- В течение 1 минуты: активация T4P становится асимметричной вдоль оси света в ответ на белок PixD, что приводит к направленному движению клетки.
Значение работы:
- Исследование раскрывает, как система обработки световых сигналов у цианобактерий регулирует динамику T4P для навигации. Этот механизм кардинально отличается от химиотаксиса бактерий, основанного на изменении интервалов между случайным плаванием и "кувырканием".
- Разработанные методы применимы для количественного изучения динамики T4P у других бактерий (например, Neisseria gonorrhoeae или Pseudomonas aeruginosa) и, возможно, архелл (жгутиков архей).