Wetenschappers lossen een 50 jaar oud mysterie op – hoe verplaatsen bacteriën zich?

Wetenschappers van de Universiteit van Virginia hebben een decennia oud mysterie opgelost.

onderzoekers van Universiteit van Virginia De Medical School en hun collega’s hebben een al lang bestaand mysterie opgelost over hoe E. coli en andere bacteriën bewegen.

Bacteriën gaan vooruit door hun lange, draadachtige uiteinden in spiraalvormen te draaien, die als geïmproviseerde waaiers fungeren. Omdat de “fans” echter uit één enkel eiwit bestaan, zijn experts verbijsterd over hoe ze het precies doen.

De zaak werd opgelost door een internationaal team onder leiding van Edward H. De onderzoekers gebruikten Cryo-EM-technologie en krachtige computermodellering om te onthullen wat geen conventionele optische microscoop kan zien: de ongebruikelijke structuur van deze propellers op het niveau van individuele atomen.

“Hoewel er al 50 jaar modellen bestaan ​​​​voor hoe deze filamenten zulke regelmatige opgerolde vormen vormen, hebben we nu de structuur van deze filamenten tot in atomaire details bepaald”, zegt Eagleman van de afdeling Biochemie en Moleculaire Genetica van UVA. “We kunnen aantonen dat deze modellen het bij het verkeerde eind hadden, en ons nieuwe begrip zal helpen de weg vrij te maken voor technologieën die gebaseerd kunnen zijn op dergelijke miniatuurpropellers.”

Edward H. Eagleman, PhD, van de University of Virginia School of Medicine, en zijn medewerkers hebben cryo-elektronenmicroscopie gebruikt om te onthullen hoe bacteriën bewegen – een einde aan een meer dan 50-jarig mysterie. Eaglemans eerdere fotografische werk zorgde ervoor dat hij lid werd van de prestigieuze National Academy of Sciences, een van de hoogste onderscheidingen die een wetenschapper kan krijgen. Krediet: Dan Addison | Virginia Communications University

Diagrammen van de ‘superprofielen’ van bacteriën

Verschillende bacteriën bevatten een of meer aanhangsels die bekend staan ​​als flagella, of in het meervoud, flagella. Een flagellum bestaat uit duizenden subeenheden, die allemaal identiek zijn. Je zou je kunnen voorstellen dat zo’n staart recht zou zijn, of op zijn minst een beetje slap, maar het zou de bacteriën ervan weerhouden te bewegen. Dit komt doordat dergelijke vormen geen momentum kunnen genereren. Er is een roterende, schakelaarachtige ventilator nodig om de bacteriën naar voren te bewegen. Wetenschappers noemen het ontwikkelen van deze vorm “super-twisting”, en ze weten nu hoe bacteriën het doen na meer dan 50 jaar onderzoek.

Eagleman en collega’s ontdekten dat het eiwit waaruit het flagellum bestaat in 11 verschillende staten kan voorkomen met behulp van cryo-EM. De vorm van de sleutel wordt gevormd door een precieze combinatie van deze toestanden.

Het is bekend dat de ventilator in bacteriën behoorlijk verschilt van soortgelijke ventilatoren die worden gebruikt door eencellige hartorganismen die archaea worden genoemd. Archaea komen voor in enkele van de meest extreme omgevingen op aarde, zoals in bijna kokende vijvers.[{” 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.