Gli scienziati risolvono un mistero di 50 anni: come si muovono i batteri?

I batteri avanzano ruotando le lunghe appendici filiformi in forme a spirale che fungono da ventagli improvvisati.

Gli scienziati dell’Università della Virginia hanno risolto un mistero vecchio di decenni.

ricercatori da Università della Virginia La Medical School ei suoi colleghi hanno risolto un mistero di vecchia data su come si muovono E. coli e altri batteri.

I batteri avanzano ruotando le loro estremità lunghe e filiformi in forme a spirale, che fungono da ventagli improvvisati. Tuttavia, poiché i “fan” sono costituiti da una singola proteina, gli esperti sono perplessi su come esattamente lo facciano.

Il caso è stato risolto da un team internazionale guidato da Edward H. I ricercatori hanno utilizzato la tecnologia Cryo-EM e una potente modellazione al computer per rivelare ciò che nessun microscopio ottico convenzionale può vedere: la struttura insolita di queste eliche a livello di singoli atomi.

“Sebbene esistano modelli per 50 anni su come questi filamenti formino forme a spirale così regolari, ora abbiamo determinato la struttura di questi filamenti in dettaglio atomico”, ha affermato Eagleman, del Dipartimento di Biochimica e Genetica Molecolare dell’UVA. “Possiamo dimostrare che questi modelli erano sbagliati e la nostra nuova comprensione aiuterà a spianare la strada a tecnologie che potrebbero essere basate su tali eliche in miniatura”.

Edward H. Eagleman, PhD, della University of Virginia School of Medicine, e i suoi collaboratori hanno utilizzato la microscopia crioelettronica per rivelare come si muovono i batteri, ponendo fine a un mistero di oltre 50 anni. Il precedente lavoro fotografico di Eagleman lo ha visto entrare a far parte della prestigiosa National Academy of Sciences, uno dei più alti riconoscimenti che uno scienziato possa ricevere. Credito: Dan Addison | Virginia Communications University

Diagrammi dei “superprofili” dei batteri

Vari batteri contengono una o più appendici note come flagelli o, al plurale, flagelli. Un flagello è composto da migliaia di subunità, tutte identiche. Potresti immaginare che una coda del genere sarebbe dritta, o almeno un po’ floscia, ma impedirebbe ai batteri di muoversi. Ciò è dovuto al fatto che tali forme non possono generare slancio. Per far avanzare i batteri è necessaria una ventola rotante simile a un interruttore. Gli scienziati chiamano lo sviluppo di questa forma “super-twisting” e ora sanno come fanno i batteri dopo oltre 50 anni di ricerca.

Eagleman e colleghi hanno scoperto che la proteina che costituisce il flagello può esistere in 11 stati diversi utilizzando la crio-EM. La forma della chiave è modellata da una precisa combinazione di questi stati.

È noto che il ventilatore nei batteri è abbastanza diverso da ventilatori simili utilizzati da organismi cardiaci unicellulari chiamati archaea. Gli Archaea si trovano in alcuni degli ambienti più estremi della terra, come in stagni quasi bollenti.[{” 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.