Met behulp van gedetailleerde 3D-beelden, onderzoekers hebben aangetoond hoe bacteriën moleculaire motoren met verschillende vermogens hebben ontwikkeld om hun zwemmen te optimaliseren.

De vondst, door een team van Imperial College London, geeft inzicht in evolutie op moleculaire schaal.

Bacteriën gebruiken moleculaire motoren van slechts tientallen nanometers breed om een ​​staart (of 'flagellum') te laten draaien die hen door hun leefgebied duwt. Zoals door mensen gemaakte motoren, de structuur van deze machines op nanoschaal bepaalt hun kracht en het zwemvermogen van de bacteriën.

Eerder, het team van het Department of Life Sciences van Imperial bekeek deze motoren en ontdekte een sleutelfactor die bepaalde hoe sterk bacteriën konden zwemmen. Zoals door mensen gemaakte motoren, bacteriële motoren hebben verschillende 'stator'- en 'rotor'-componenten die tegen elkaar draaien.

Het team ontdekte dat hoe meer statorstructuren de bacteriële motor bezat, hoe groter de draaikracht, en hoe sterker de bacterie zwom. Ondanks deze verschillen, DNA-sequentieanalyse toont aan dat de kernmotoren voorouderlijk verwant zijn. Dit bracht wetenschappers ertoe zich af te vragen hoe structuur en zwemdiversiteit uit hetzelfde kernontwerp zijn geëvolueerd.

Nutsvoorzieningen, in nieuw onderzoek dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd Wetenschappelijke rapporten , de onderzoekers konden een 'stamboom' van bacteriële motoren bouwen door 3D-beeldvorming te combineren met DNA-analyse. Hierdoor konden ze begrijpen hoe voorouderlijke motoren eruit hebben gezien, en hoe ze zich hadden kunnen ontwikkelen tot de geavanceerde motoren die we vandaag de dag zien.

Het team vond een duidelijk verschil tussen de motoren van primitieve en geavanceerde bacteriesoorten. Hoewel veel primitieve soorten ongeveer 12 stators hadden, meer geavanceerde soorten hadden ongeveer 17 stators. Dit, samen met DNA-analyse, suggereerde dat oude motoren mogelijk ook maar 12 stators hadden.

Deze duidelijke scheiding tussen primitieve en geavanceerde soorten vertegenwoordigt een "kwantumsprong" in de evolutie, volgens de onderzoekers. Uit hun onderzoek blijkt dat de toename van het motorvermogen waarschijnlijk het gevolg is van het samensmelten van bestaande structuren. Dit vormt een structurele steiger om meer stators op te nemen, die combineren om rotatie met hogere kracht aan te drijven.

Hoofdonderzoeker Dr. Morgan Beeby zei:"We zijn gewend om evolutie te observeren op de schaal van dieren of planten, zoals de nek van de giraf die na verloop van tijd langzaam langer wordt om voorheen ontoegankelijk voedsel te bereiken.

"Echter, de evolutie op moleculaire schaal is veel radicaler. Het is als een giraf die kinderen krijgt met een nek die ineens een meter langer is."

Om de studie uit te voeren, het team visualiseerde een aantal motoren van verschillende soorten bacteriën met behulp van een variant van een methode genaamd cryo-verkiezingsmicroscopie, wiens pioniers dit jaar de Nobelprijs voor de Scheikunde kregen. De methode omvat het flash-bevriezen van de motoren in levende cellen. Eenmaal bevroren, ze kunnen vanuit alle hoeken worden afgebeeld om een ​​3D-beeld op te bouwen van hoe de motor eruitziet in de cel.

Vervolgens bouwden ze een 'stamboom' van de soort op met behulp van DNA-sequentieanalyse, die verband hielden met hun zwemvermogen en motorische eigenschappen. Ze ontdekten dat bacteriën met 17 of meer stators, en hun familieleden, hadden extra structuren aan hun motoren.

De onderzoekers zijn van mening dat deze extra structuren zijn samengesmolten in geavanceerde bacteriën om een ​​grotere steiger te bieden voor het ondersteunen van meer stators.

Echter, ze zeggen ook dat dit waarschijnlijk niet een eenmalige gebeurtenis was. De extra structuren lijken vele malen te zijn geëvolueerd in verschillende soorten bacteriën, verschillende bouwstenen gebruiken maar dezelfde functionaliteit produceren.

Dezelfde functies die zich onafhankelijk van elkaar ontwikkelen in totaal verschillende organismen zijn eerder gezien in het dieren- en plantenrijk. Bijvoorbeeld, insecten, vleermuizen en vogels hebben allemaal geëvolueerde vleugels die qua functie vergelijkbaar zijn, maar een totaal verschillende oorsprong hebben, ogen zijn meerdere keren tevoorschijn gekomen, en er is goed bewijs dat het zenuwstelsel ook verschillende keren is geëvolueerd, met sommige wezens die vreemde systemen bezitten in tegenstelling tot de hersenen en het ruggenmerg die we gewend zijn.

Dr. Beeby zei:"Bacteriële motoren zijn complexe machines, maar met studies als deze kunnen we zien hoe ze in verschillende stappen zijn geëvolueerd. Bovendien, de 'sprong' van 12 stators naar 17, terwijl het een geweldige innovatie is, heeft een aspect van 'biologische onvermijdelijkheid' op dezelfde manier als vleugels, ogen, of zenuwstelsel bij hogere dieren:de voorlopers van een hoog koppel zijn meerdere keren geëvolueerd, en een set van hen versmolt uiteindelijk om het schavot te vormen dat we in ons werk beschrijven."

Hij voegde eraan toe:"Evolutie is een creatief proces, vaak gebaseerd op variaties op een thema. Het ontwikkelt voortdurend nieuwe moleculaire ideeën, waarvan vele falen, maar onvermijdelijk worden sommige meerdere keren gerealiseerd. We hebben dit gezien bij dieren, en nu zien we dit proces ook in de nanoscopische wereld van moleculaire evolutie."