Первая прямая визуализация вращения археллий с помощью кросс-кимографии

Микроорганизмы обладают сложными механизмами подвижности, позволяющими им перемещаться в ответ на изменения окружающей среды. Эти механизмы хорошо изучены у бактерий, которые используют для движения жгутики. В отличие от них, о том, как плавают археи, известно мало. В исследовании, недавно опубликованном Ёсиаки Кинозитой и соавторами в Nature Microbiology, учёные из Университета Гакусюин и Университета Тохоку выяснили, как модельная плавающая архея Halobacterium salinarum осуществляет движение с помощью своих вращающихся филаментов — археллий.

Археллии имеют белковые последовательности и структуры, сходные с невращающимися бактериальными пилями IV типа. Однако археллии вращаются, и это вращение обеспечивает подвижность. В своей работе «Прямое наблюдение вращения и шагов археллия у плавающей галофильной археи Halobacterium salinarum» Кинозита и др. использовали 3D-трекинг квантовых точек на поверхности клетки, чтобы выявить левовинтовое штопорообразное движение археи. Затем авторы применили новую методику «кросс-кимографии» под микроскопом полного внутреннего отражения (TIRFM) и обнаружили правовинтовую спиральность и скорость вращения археллий.

Используя эти и другие параметры, выявленные кросс-кимографией, авторы успешно разработали гидродинамическую модель, воспроизводящую особенности плавания археи. Этот подход также позволил рассчитать вращающий момент мотора археллий, необходимый для движения. Эксперименты с прикреплёнными клетками впервые показали ступенчатое вращение археллия. Авторы предположили, что прерывистые паузы во вращении могут быть унитарными шагами, потребляющими одну молекулу АТФ, и указали, что эффективность мотора может составлять ~6-10%. Они отмечают, что «исследование этого удивительного вращающегося мотора, особенно в микроскопических деталях, только начинается», и планируют в дальнейшем ответить на вопросы, включая «Как образуются спиральные филаменты?» и «Как археллии меняют направление вращения?».

Что касается других применений, авторы отмечают, что преимущество их метода кросс-кимографии под TIRFM заключается в том, что «наблюдатель может одновременно, без каких-либо допущений, оценить два параметра — направление вращения и спиральность структуры — и немедленно, без задержки, обнаружить их переключение». Ведущий автор Ёсиаки Кинозита, аспирант Университета Гакусюин, отметил в интервью по электронной почте: «Одно из успешных применений нашей экспериментальной установки — одновременная количественная оценка полиморфизма и/или переключения вращения у жгутиковых бактерий. Кроме того, существует большое количество видов бактерий, которые используют спиральные паттерны для реализации своей подвижности, и наш метод применим к ним. Структура археллия похожа на структуру пилей IV типа у патогенных бактерий, таких как Pseudomonas aeruginosa и Neisseria gonorrhoeae, и наши методы применимы для мечения и визуализации этих пилей, что может позволить проводить визуализацию взаимодействия между клетками хозяина и бактериями в реальном времени».