Цивилизация
Биологи из Гарварда и университета Индианы нашли общую черту автомобилей и бактерий: и у тех, и у других есть сцепление - устройство, которое может отключать и подключать двигатель от приводящих их в движение частей. Открытие, о котором учёные сообщают в опубликованной в журнале Science статье, может дать исследователем в сфере нанотехнологий идеи, как управлять нанодвигателями их собственного производства.
Биолог Крис Блэр и его коллеги идентифицировали белок, который работает как сцепление для «мотора», приводящего в движение жгутик бактерии: похожая на хвост структура позволяет многим микроорганизмам двигаться в жидкой среде. «Сцепление» выключает вращение жгутика, останавливая бактерии, когда они собираются в так называемые биопленки - гигантские колонии бактерий, которые могут образовываться почти на любой поверхности - от зубов до водопроводных труб, и играют важнейшую роль в распространении многих инфекционных заболеваний.
Ученые уже давно знали, что заставляет жгутики бактерий вращаться, но что их останавливает - временно или на долгий срок - было неизвестно.
«Мы думаем, что это невероятно круто, что бактерии в процессе эволюции и человеческие инженеры пришли к схожему решению», - говорит руководитель исследовательского проекта Дэниэл Кирнс из Индианы.
Маленький, но мощный двигатель, который позволяет бактерии Bacillus subtilis двигаться сквозь жидкость, может быть отключен от штопорообразного жгутика с помощью белковой молекулы-сцепления. Действие белка EpsE, который обнаружили исследователи, очень похоже на принцип работы автомобильного сцепления. В автомобиле сцепление контролирует, соединен ли двигатель с частями, которые вращают колеса. Когда двигатель и колеса отсоединены друг от друга, машина может продолжать двигаться, но только по инерции.
Молекула EpsE «садится», по словам Кирнса, на ротор жгутика - кольцевую структуру в его основании. Взаимодействие EpsE с белковой молекулой-ротором, которая называется FliG, меняет ее форму, что приводит к отключению жгутика от «мотора», который работает благодаря перемещению протонов.
Открытие белка EpsE и его функций произошло случайно. Кирнс и его коллеги пытались узнать больше о генах, которые заставляют отдельную клетку Bacillus subtilis прекратить одиночное путешествие и присоединиться к гигантской бактериальной коммуне - биопленке. Стабильность таких пленок может быть нарушена «гиперактивными» бактериями, которые продолжают двигать жгутиками.
«Мы пытались выяснить, как соотносятся способность бактерий двигаться и процесс формирования биопленок. Мы искали гены, которые определяют - двигаться клетке или оставаться в покое. Хотя Bacillus subtilis безвредна, биопленки часто содержат инфекционные и патогенные микроорганизмы. Понимание процесса формирования биопленок может оказаться полезным в борьбе с бактериальными инфекциями», - говорит Кирнс.
Когда ученые обнаружили, что молекулы EpsE участвуют в прекращении движения жгутика, они предложили два возможных объяснения механизма их работы. Первый предполагал, что EpsE работает как тормоз, зажимающий движущуюся деталь. Другой - что EpsE может функционировать, как сцепление, отключающее одну движущуюся часть от другой. Во втором случае жгутик может продолжать двигаться, но исключительно под внешним воздействием.
Чтобы определить, какая из гипотез правильна, ученые решили позволить «хвосту вилять собакой». Они присоединили концы жгутиков бактерий к предметному стеклу и изучили движение всей клетки в отсутствие и в присутствии EpsE. В отсутствие белка EpsE клетка вращалась пять секунд, а при наличии этого белка клетка останавливалась, но могла вращаться пассивно, за счет возмущений в жидкости, вызванных броуновским движением. Если бы EpsE работал как тормоз, клетка не смогла бы вращаться совсем.
Исследователи также выяснили, что, когда клетка начинает производить белок EpsE, требуется около 15 минут, прежде чем механизм вращения жгутика отключится. Жгутики приводятся в движение самым маленьким, но очень мощным природным мотором - например, у Bacillus subtilis жгутик вращается с частотой более 200 раз в секунду.
