Onderzoekers van de University of Virginia School of Medicine en hun medewerkers hebben een decennia oud mysterie opgelost over hoe E. coli en andere bacteriën zich kunnen verplaatsen.

Bacteriën duwen zichzelf naar voren door lange, draadachtige aanhangsels op te rollen in kurkentrekkervormen die fungeren als geïmproviseerde propellers. Maar hoe ze dit precies doen, heeft wetenschappers verbijsterd, omdat de "propellers" uit één enkel eiwit zijn gemaakt.

Een internationaal team onder leiding van UVA's Edward H. Egelman, Ph.D., een leider op het gebied van hightech cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM), heeft de zaak gekraakt. De onderzoekers gebruikten cryo-EM en geavanceerde computermodellering om te onthullen wat geen traditionele lichtmicroscoop kon zien:de vreemde 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 kunnen vormen, hebben we nu de structuur van deze filamenten tot in atomaire details bepaald", zegt Egelman, van de afdeling Biochemie en Moleculaire Genetica van UVA. "We kunnen aantonen dat deze modellen het bij het verkeerde eind hadden, en ons nieuwe inzicht zal helpen de weg vrij te maken voor technologieën die gebaseerd kunnen zijn op dergelijke miniatuurpropellers."

Blauwdrukken voor de 'supercoils' van bacteriën

Verschillende bacteriën hebben een of meerdere aanhangsels die bekend staan ​​als flagellum, of, in het meervoud, flagella. Een flagellum is gemaakt van duizenden subeenheden, maar al deze subeenheden zijn precies hetzelfde. Je zou denken dat zo'n staart recht zou zijn, of op zijn best een beetje flexibel, maar dan zouden de bacteriën niet meer kunnen bewegen.

Dat komt omdat dergelijke vormen geen stuwkracht kunnen genereren. Er is een draaiende, kurkentrekkerachtige propeller nodig om een ​​bacterie naar voren te duwen. Wetenschappers noemen de vorming van deze vorm "supercoiling", en nu, na meer dan 50 jaar, begrijpen ze hoe bacteriën het doen.

Met behulp van cryo-EM ontdekten Egelman en zijn team dat het eiwit waaruit het flagellum bestaat, in 11 verschillende toestanden kan voorkomen. Het is de precieze mix van deze toestanden die ervoor zorgt dat de vorm van de kurkentrekker ontstaat.

Het is bekend dat de propeller in bacteriën heel anders is dan vergelijkbare propellers die worden gebruikt door stevige eencellige organismen die archaea worden genoemd. Archaea worden aangetroffen in enkele van de meest extreme omgevingen op aarde, zoals in bijna kokende poelen van zuur, de bodem van de oceaan en in aardolieafzettingen diep in de grond.

Egelman en collega's gebruikten cryo-EM om de flagella van één vorm van archaea, Saccharolobus islandicus, te onderzoeken en ontdekten dat het eiwit dat zijn flagellum vormt in 10 verschillende staten voorkomt. Hoewel de details heel anders waren dan wat de onderzoekers bij bacteriën zagen, was het resultaat hetzelfde, waarbij de filamenten gewone kurkentrekkers vormden.

Ze concluderen dat dit een voorbeeld is van 'convergente evolutie' - wanneer de natuur via heel verschillende middelen tot vergelijkbare oplossingen komt. Dit toont aan dat hoewel bacteriën en de propellers van archaea qua vorm en functie vergelijkbaar zijn, de organismen deze eigenschappen onafhankelijk van elkaar hebben ontwikkeld.

"Net als bij vogels, vleermuizen en bijen, die allemaal onafhankelijk vleugels hebben ontwikkeld om te vliegen, is de evolutie van bacteriën en archaea geconvergeerd tot een vergelijkbare oplossing om in beide te zwemmen", zei Egelman, wiens eerdere beeldvormingswerk hem zag in de National Academy. of Sciences, een van de hoogste onderscheidingen die een wetenschapper kan ontvangen. "Sinds deze biologische structuren miljarden jaren geleden op aarde zijn ontstaan, lijken de 50 jaar die nodig zijn om ze te begrijpen misschien niet zo lang."

Het onderzoek is gepubliceerd in Cell . + Verder verkennen

Biologen onderzoeken kleinste propeller op aarde