العلماء يحلون لغزًا عمره 50 عامًا: كيف تتحرك البكتيريا؟

تمكن علماء من جامعة فيرجينيا من حل لغز عمره عقود.

باحثون من جامعة فيرجينيا تمكنت كلية الطب وزملاؤهم من حل لغز طويل الأمد حول كيفية تحرك بكتيريا الإشريكية القولونية والبكتيريا الأخرى.

تتحرك البكتيريا للأمام عن طريق لف أطرافها الطويلة التي تشبه الخيوط والتي تشبه اللولب ، والتي تعمل كمراوح مؤقتة. ومع ذلك ، نظرًا لأن “الحلزونات” تتكون من بروتين واحد ، فإن الخبراء يشعرون بالحيرة حيال كيفية قيامهم بذلك بالضبط.

تم حل القضية من قبل فريق دولي بقيادة إدوارد هـ. استخدم الباحثون تقنية Cryo-EM والنمذجة الحاسوبية القوية للكشف عما لا يمكن أن يراه أي مجهر ضوئي تقليدي: البنية غير العادية لهذه الحلزونات على مستوى الذرات الفردية.

قال إيجلمان ، من قسم الكيمياء الحيوية وعلم الوراثة الجزيئية في UVA: “في حين أن النماذج موجودة منذ 50 عامًا حول كيفية تشكيل هذه الخيوط لمثل هذه الأشكال الملتفة المنتظمة ، فقد حددنا الآن بنية هذه الخيوط بالتفصيل الذري”. “يمكننا أن نظهر أن هذه النماذج كانت خاطئة ، وسيساعد فهمنا الجديد في تمهيد الطريق للتقنيات التي يمكن أن تستند إلى مثل هذه المراوح المصغرة.”

استخدم إدوارد إتش إيجلمان ، دكتوراه ، من كلية الطب بجامعة فيرجينيا ، ومعاونوه المجهر الإلكتروني بالتبريد للكشف عن كيفية تحرك البكتيريا ، وحل لغز عمره أكثر من 50 عامًا. شهدت أعمال التصوير السابقة لإيجلمان انضمامه إلى الأكاديمية الوطنية للعلوم المرموقة ، وهي واحدة من أعلى درجات التكريم التي يمكن أن يحصل عليها العلماء. الائتمان: دان أديسون | جامعة فرجينيا للاتصالات

خطط “لفائف البكتيريا”

تحتوي البكتيريا المختلفة على واحد أو أكثر من الزوائد تسمى السوط أو ، الجمع ، السوط. يتكون السوط من آلاف الوحدات الفرعية المتطابقة. تتخيل أن مثل هذا الذيل سيكون مستقيمًا ، أو على الأقل مرنًا إلى حد ما ، لكنه سيمنع البكتيريا من الحركة. هذا يرجع إلى حقيقة أن مثل هذه الأشكال لا يمكن أن تولد قوة دفع. هناك حاجة إلى حلزون دوار على شكل مفتاح لتحريك البكتيريا إلى الأمام. يطلق العلماء على تطوير هذا الشكل اسم “الالتفاف الفائق” ، وهم يعرفون الآن كيف تفعل البكتيريا ذلك بعد أكثر من 50 عامًا من البحث.

اكتشف إيجلمان وزملاؤه أن البروتين الذي يتكون منه السوط يمكن أن يوجد في 11 حالة مختلفة باستخدام cryo-EM. يتم تشكيل شكل المفتاح بواسطة مجموعة دقيقة من هذه الحالات.

من المعروف أن حلزون البكتيريا مختلف تمامًا عن الحلزونات المماثلة التي تستخدمها الكائنات أحادية الخلية الغزيرة التي تسمى العتائق. تم العثور على الأركيا في بعض أكثر البيئات تطرفًا على وجه الأرض ، مثل برك الغليان[{” 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.