Virdžinijos universiteto mokslininkai išsprendė dešimtmečių senumo paslaptį.

tyrinėtojai iš Virdžinijos universitetas Medicinos mokykla ir jų kolegos išsprendė seniai įsisenėjusią paslaptį, kaip juda E. coli ir kitos bakterijos.

Bakterijos juda į priekį sukdamos savo ilgus, į siūlus panašius galus į spiralės formas, kurios veikia kaip laikinos gerbėjos. Tačiau, kadangi „gerbėjai“ susideda iš vieno baltymo, ekspertai yra sumišę, kaip tiksliai jie tai daro.

Bylą išsprendė tarptautinė komanda, kuriai vadovavo Edwardas H. Tyrėjai naudojo Cryo-EM technologiją ir galingą kompiuterinį modeliavimą, kad atskleistų tai, ko nemato joks įprastas optinis mikroskopas: neįprastą šių sraigtų struktūrą atskirų atomų lygyje.

„Nors 50 metų egzistavo modeliai, kaip šios gijos sudaro tokias taisyklingas susuktas formas, dabar mes nustatėme šių gijų struktūrą atominėmis detalėmis“, – sakė Eaglemanas iš UVA Biochemijos ir molekulinės genetikos katedros. „Galime parodyti, kad šie modeliai buvo neteisingi, o mūsų naujas supratimas padės paruošti kelią technologijoms, kurios galėtų būti pagrįstos tokiais miniatiūriniais sraigtais.

Virdžinijos universiteto medicinos mokyklos mokslų daktaras Edwardas H. Eaglemanas ir jo bendradarbiai panaudojo krioelektroninę mikroskopiją, kad atskleistų, kaip juda bakterijos – užbaigiant daugiau nei 50 metų trukusią paslaptį. Ankstesnis Eaglemanas fotografuodamas jį įstojo į prestižinę Nacionalinę mokslų akademiją – vieną didžiausių apdovanojimų, kuriuos gali gauti mokslininkas. Kreditas: Dan Addison | Virdžinijos komunikacijų universitetas

Bakterijų „superprofilių“ diagramos

Įvairiose bakterijose yra vienas ar daugiau priedų, vadinamų žvyneliais, arba daugiskaita – žvyneliai. Žiedynas susideda iš tūkstančių subvienetų, kurie visi yra identiški. Galite įsivaizduoti, kad tokia uodega būtų tiesi arba bent kiek lankstesnė, tačiau tai neleis bakterijoms judėti. Taip yra dėl to, kad tokios formos negali generuoti impulso. Kad bakterijos judėtų į priekį, reikalingas besisukantis į jungiklį panašus ventiliatorius. Mokslininkai šios formos sukūrimą vadina „supersukimu“ ir dabar žino, kaip tai daro bakterijos po daugiau nei 50 metų trukusių tyrimų.

Eaglemanas ir jo kolegos išsiaiškino, kad baltymas, sudarantis žvynelį, gali egzistuoti 11 skirtingų būsenų naudojant krio-EM. Rakto formą formuoja tikslus šių būsenų derinys.

Yra žinoma, kad bakterijų ventiliatorius labai skiriasi nuo panašių ventiliatorių, naudojamų vienaląsčiams širdies organizmams, vadinamiems archaea. Archėjos randamos kai kuriose ekstremaliausiose aplinkose žemėje, pavyzdžiui, beveik verdančiame tvenkiniuose.[{” attribute=””>acid, the very bottom of the ocean and in petroleum deposits deep in the ground.

Egelman and colleagues used cryo-EM to examine the flagella of one form of archaea, Saccharolobus islandicus, and found that the protein forming its flagellum exists in 10 different states. While the details were quite different than what the researchers saw in bacteria, the result was the same, with the filaments forming regular corkscrews. They conclude that this is an example of “convergent evolution” – when nature arrives at similar solutions via very different means. This shows that even though bacteria and archaea’s propellers are similar in form and function, the organisms evolved those traits independently.

“As with birds, bats, and bees, which have all independently evolved wings for flying, the evolution of bacteria and archaea has converged on a similar solution for swimming in both,” said Egelman, whose prior imaging work saw him inducted into the National Academy of Sciences, one of the highest honors a scientist can receive. “Since these biological structures emerged on Earth billions of years ago, the 50 years that it has taken to understand them may not seem that long.”

Reference: “Convergent evolution in the supercoiling of prokaryotic flagellar filaments” by Mark A.B. Kreutzberger, Ravi R. Sonani, Junfeng Liu, Sharanya Chatterjee, Fengbin Wang, Amanda L. Sebastian, Priyanka Biswas, Cheryl Ewing, Weili Zheng, Frédéric Poly, Gad Frankel, B.F. Luisi, Chris R. Calladine, Mart Krupovic, Birgit E. Scharf and Edward H. Egelman, 2 September 2022, Cell.
DOI: 10.1016/j.cell.2022.08.009

The study was funded by the National Institutes of Health, the U.S. Navy, and Robert R. Wagner.