Wissenschaftler lösen ein 50 Jahre altes Rätsel – wie bewegen sich Bakterien fort?

Wissenschaftler der University of Virginia haben ein jahrzehntealtes Rätsel gelöst.

Forscher aus Universität von Virginia Die Medizinische Fakultät und ihre Kollegen haben ein langjähriges Rätsel gelöst, wie sich E. coli und andere Bakterien fortbewegen.

Bakterien bewegen sich vorwärts, indem sie ihre langen, fadenförmigen Enden in Spiralformen drehen, die als provisorische Fächer fungieren. Da die „Fächer“ jedoch aus einem einzigen Protein bestehen, sind Experten verblüfft, wie genau sie das tun.

Der Fall wurde von einem internationalen Team unter der Leitung von Edward H. Die Forscher verwendeten Cryo-EM-Technologie und leistungsstarke Computermodellierung, um zu enthüllen, was kein herkömmliches optisches Mikroskop sehen kann: die ungewöhnliche Struktur dieser Propeller auf der Ebene einzelner Atome.

„Während es seit 50 Jahren Modelle dafür gibt, wie diese Filamente solche regelmäßigen gewundenen Formen bilden, haben wir jetzt die Struktur dieser Filamente im atomaren Detail bestimmt“, sagte Eagleman von der Abteilung für Biochemie und Molekulargenetik der UVA. „Wir können zeigen, dass diese Modelle falsch waren, und unser neues Verständnis wird dazu beitragen, den Weg für Technologien zu ebnen, die auf solchen Miniaturpropellern basieren könnten.“

Edward H. Eagleman, PhD, von der University of Virginia School of Medicine, und seine Mitarbeiter haben Kryo-Elektronenmikroskopie verwendet, um aufzudecken, wie sich Bakterien bewegen – und damit ein mehr als 50-jähriges Rätsel beendet. Eaglemans frühere fotografische Arbeit hat ihn in die renommierte National Academy of Sciences aufgenommen, eine der höchsten Auszeichnungen, die ein Wissenschaftler erhalten kann. Bildnachweis: Dan Addison | Virginia Communications University

Diagramme der „Superprofile“ von Bakterien

Verschiedene Bakterien enthalten einen oder mehrere Anhängsel, die als Flagella oder im Plural Flagella bekannt sind. Ein Flagellum besteht aus Tausenden von Untereinheiten, die alle identisch sind. Sie könnten sich vorstellen, dass ein solcher Schwanz gerade oder zumindest etwas schlaff wäre, aber er würde die Bakterien daran hindern, sich zu bewegen. Dies liegt daran, dass solche Formen keine Dynamik erzeugen können. Um die Bakterien vorwärts zu bewegen, ist ein rotierender, schalterartiger Lüfter erforderlich. Wissenschaftler nennen die Entwicklung dieser Form „Super-Twisting“, und sie wissen jetzt nach mehr als 50 Jahren Forschung, wie Bakterien das machen.

Eagleman und Kollegen entdeckten mithilfe von Kryo-EM, dass das Protein, aus dem das Flagellum besteht, in 11 verschiedenen Zuständen existieren kann. Die Form des Schlüssels wird durch eine genaue Kombination dieser Zustände geformt.

Es ist bekannt, dass sich der Fächer in Bakterien deutlich von ähnlichen Fächern unterscheidet, die von einzelligen Herzorganismen namens Archaeen verwendet werden. Archaea kommen in einigen der extremsten Umgebungen der Erde vor, beispielsweise in fast kochenden Teichen.[{“ 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.