Bacteriën zwemmen op veel verschillende manieren, en de motoren die hun zwemmen aandrijven zijn zeer gevarieerd, impliceert een adaptieve reactie op een omgeving. Een van de meest voorkomende van dergelijke motoren is flagella. Hoewel het bieden van motiliteit een primair kenmerk is van flagella, kleefstof en andere eigenschappen zijn er ook aan toegeschreven.

De flagellaire motor bestaat uit een rotor en een tiental statoreenheden, en wordt aangedreven door de energie die door ionen wordt gecreëerd wanneer ze door het celmembraan migreren. Terwijl de flagellaire motor van sommige zoetwater- en darmbacteriën, zoals Salmonella, wordt aangedreven door protonen (waterstofionen, H ⁺ ), die bestaat uit vier exemplaren van het eiwit MotA en twee exemplaren van MotB, motoren van andere bacteriën die in zoutwateromgevingen leven, worden aangedreven door natriumionen (Na ⁺ ).

In het geval van Bacillus subtilis (B. subtilis), een bacterie die veel in de bodem voorkomt, de flagellaire motor heeft twee verschillende typen statoreenheden:H+-type MotAB en Na+-type MotPS. Terwijl de componenten worden geïdentificeerd, het mechanisme dat de flagellaire motor aandrijft, blijft onbekend. Dit mysterie wordt nog verergerd door het feit dat flagellen niet duidelijk zichtbaar zijn onder de lichtmicroscoop. Deze uitdagingen zetten een team van op de Universiteit van Osaka gecentreerde onderzoekers op een zoektocht om het onbekende mechanisme op te helderen. Ze rapporteerden hun bevindingen in wetenschappelijke vooruitgang .

"Nauwkeurige analyses van de structurele dynamiek van de flagellaire motor met behulp van snelle atoomkrachtmicroscopie (HS-AFM) in combinatie met mutatieanalyse gaven inzicht in het koppelgeneratiemechanisme van de flagellaire motor, " zegt de eerste auteur van de studie Naoya Terahara. "We hebben real-time observaties gedaan van de Na+-geïnduceerde structurele veranderingen in het domein van MotS dat peptidoglycaan bindt, een polymeer bestaande uit suikers en aminozuren in bacteriën."

Om te begrijpen hoe het MotPS-eiwitcomplex reageert op veranderingen in de omgeving, de onderzoekers karakteriseerden eerst de koppel-snelheidsrelatie van de B. subtilis-motor over een breed bereik van Na+-concentraties. De maximale snelheid van de motor werd verlaagd van ongeveer 200 naar 80 Hz toen de externe Na+-concentratie werd verhoogd van 0 naar 200 mM, hoewel het blokkeerkoppel helemaal niet werd gewijzigd.

Opmerkelijk, toen het domein van MotB dat bindt aan peptidoglycaan werd vervangen door dat van MotS, de chimere motor behield dezelfde koppel-snelheidscurve als de MotAB-motor in aanwezigheid van Na+-ionen, maar niet in afwezigheid. Dit betekent dat Na+ de belangrijkste aanjager is van de assemblage en activering van flagellaire motor, ongeacht de samenstelling ervan.

"Bij afwezigheid van natriumionen, MotPS bestaat als een inactieve vorm in het cytoplasmatische membraan omdat MotSc, het C-terminale periplasmatische domein van MotS, neemt een ongevouwen conformatie aan. Wanneer de concentratie van natriumionen wordt verhoogd, de binding van de ionen aan MotSc induceert de vouwing van het PGB-domein en vergemakkelijkt de dimerisatie ervan op een zeer coöperatieve manier, ' zegt corresponderende auteur Tohru Minamino.

Door deze studie, het team heeft ook de haalbaarheid aangetoond van het gebruik van HS-AFM in combinatie met mutatieanalyse om ingewikkelde bacteriële structuren te bestuderen, die waardevolle inzichten kunnen opleveren voor de industriële productie van commercieel levensvatbare producten, zoals proteasen en therapieën, zoals in het geval van de B. subtilis.