Ученые объяснили механизм сборки бактериального жгутика

Американские и британские ученые выяснили, как формируется стержень бактериального жгутика — структура, передающая вращение от внутриклеточного молекулярного мотора на наружный филамент. Результаты работы опубликованы в журнале Science.

Движение флуоресцирующих жгутиковых бактерий. Howard Berg / Harvard University

Жгутик, вращающийся со скоростью до 60 тысяч оборотов в минуту, обеспечивает бактериальной клетке движение в жидких средах и по поверхностям, а также принимает участие в формировании биопленок. Его работа зависит от крайне точной сборки в процессе развития бактерии. Общее устройство жгутика к настоящему времени описано достаточно хорошо: он состоит из внутриклеточного роторного мотора, работающего за счет перемещения ионов, систем закрепленных на мембранах колец, расположенного в периплазматическом пространстве между внутренней и наружной мембранами стержня, который соединен белковым крюком с фибриллой, обеспечивающей движение.

Устройство бактериального жгутика. Wikimedia Commons

Стержень жгутика сформирован двумя структурами: проксимальной (длиной примерно семь нанометров) из четырех разных белков и дистальной (длиной примерно 18 нанометров) из приблизительно 50 копий белка FlgG. Их сборка происходит по направлению от внутренней к наружной мембране бактериии. При этом механизмы контроля длины стержня при сборке — одного из основных параметров, обеспечивающих нормальную работу жгутика — до сих пор описаны не были.

Чтобы разобраться в этом вопросе, сотрудники Университета Юты, Лондонского имперского колледжа и Калифорнийского технологического университета пронаблюдали за сборкой стержня у бактерии Salmonella enterica с мутациями FlgG, приводящими к увеличению его длины до примерно 60 нанометров и, как следствие, неперпендикулярному мембранам расположению в периплазматическом пространстве и нарушению подвижности. В частности, ученых заинтересовала роль белка LppA, участие которого в процессе сборки стержня было неизвестным. Этот белок одним концом крепится к внутренне поверхности наружной мембраны, а другим — к петидогликановому слою в периплазматическом пространстве и, таким образом, может влиять на ширину этого пространства.

В ходе экспериментов с выключением гена LppA выяснилось, что отсутствие этого белка несколько снижает подвижность обычных бактерий, зато повышает ее в два-три раза у микрооранизмов с мутантной формой FlgG. Это происходило за счет того, что LppA не ограничивал ширину периплазматического пространства, позволяя удлиненному стержню раздвигать его в процессе сборки и располагаться параллельно мембранам бактерии.

Экспериментируя с модифицированными сальмонеллами, имеющими различную длину LppA, ученые установили, что этот белок играет ключевую роль в регулировании просвета периплазматического пространства, и что сборка (и, соответственно, длина) стержня ограничивается величиной этого просвета. Таким образом, регулятором формирования трансмембранной части жгутика оказался структурный белок LppA.

Зависимость длины стержня от размеров LppA. Eli J. Cohen et al. / Science, 2017

Поскольку жгутики обеспечивают подвижность бактерии, понимание их формирования и функционирования может помочь в поиске средств для иммобилизации микроорганизмов и снижения их патогенности.

Жгутики бактерий интересуют не только биологов — они также служат источником вдохновения для создателей подвижных микроботов. Так, например, изучение жгутиков одноклеточных помогло швейцарским разработчикам создать мягких микроботов с программируемыми подвижностью и формой. Устройства планируется применять при проведении минимально инвазивных хирургических операций.

Автор: Олег Лищук