科学者が 50 年の謎を解き明かす – バクテリアはどのように動くのか?

細菌は、その場しのぎのファンとして機能する、長い糸のような付属物をらせん状にねじることによって前進します。

バージニア大学の科学者が、数十年にわたる謎を解き明かしました。

からの研究者 バージニア大学 医学部とその同僚は、大腸菌やその他の細菌がどのように移動するかという長年の謎を解き明かしました。

細菌は、その長い糸のような端をねじってらせん状にすることで前進し、それがその場しのぎのファンとして機能します。 ただし、「ファン」は単一のタンパク質で構成されているため、専門家は、それらがどのように正確に機能するかについて困惑しています.

この事件は、エドワード H. 研究者は、クライオ EM 技術と強力なコンピューター モデリングを使用して、従来の光学顕微鏡では見ることができないもの、つまり個々の原子レベルでのこれらのプロペラの異常な構造を明らかにしました。

UVAの生化学および分子遺伝学部門のEagleman氏は、「これらのフィラメントがどのように規則的なコイル状の形状を形成するかについてモデルが50年間存在していましたが、現在、これらのフィラメントの構造を原子レベルで決定しています. 「これらのモデルが間違っていたことを示すことができます。私たちの新しい理解は、そのような小型プロペラに基づく技術への道を開くのに役立ちます。」

バージニア大学医学部のエドワード H. イーグルマン博士と彼の共同研究者は、クライオ電子顕微鏡を使用して、細菌がどのように移動するかを明らかにし、50 年以上の謎に終止符を打ちました。 イーグルマンの以前の写真作品は、科学者が受け取ることができる最高の栄誉の 1 つである権威ある全米科学アカデミーに彼が参加するのを見てきました。 クレジット: ダン アディソン | バージニア通信大学

細菌の「スーパープロファイル」の図

さまざまな細菌には、鞭毛または複数形の鞭毛として知られる 1 つまたは複数の付属物が含まれています。 鞭毛は何千ものサブユニットで構成されており、それらはすべて同一です。 そのような尻尾は真っ直ぐか、少なくともいくらか垂れ下がっていると想像するかもしれませんが、バクテリアの動きを妨げます. これは、そのようなフォームが勢いを生み出すことができないという事実によるものです。 バクテリアを前進させるには、回転するスイッチのようなファンが必要です。 科学者たちは、この形状の発達を「スーパーツイスト」と呼んでおり、50 年以上の研究の結果、バクテリアがどのようにそれを行うのかが明らかになりました。

イーグルマンと同僚は、クライオ EM を使用して、べん毛を構成するタンパク質が 11 の異なる状態で存在できることを発見しました。 キーの形状は、これらの状態の正確な組み合わせによって形成されます。

細菌のファンは、古細菌と呼ばれる単細胞心臓生物が使用する同様のファンとはまったく異なることが知られています。 古細菌は、ほとんど沸騰している池など、地球上で最も極端な環境のいくつかで発見されています。[{” 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.