Как собираются самые мощные биомоторы на Земле

Биологи из США и Британии раскрыли секреты самосборки бактериальных жгутиков, своеобразных "биомоторов", позволяющих микробам быстро перемещаться по питательной среде, при этом не разваливаясь на части, и опубликовали их в журнале Science. 

"Большая часть жгутика и его "двигателя" находится и собирается вне пределов клетки. Соответственно, должны существовать некие механизмы их самосборки и определения того, когда длина стержня и прочих элементов "мотора" уже достигла оптимальной длины. Как же бактерии решают эту проблему?", — заявила Келли Хьюз (Kelly Hughes) из университета Юты в Солт-Лейк-Сити (США).

Бактерии, в отличие от наших самых примитивных "родственников" – амеб и прочих простейших – не могут двигаться по питательной среде, меняя форму своего тела. Их клетки окружает своеобразная "броня", достаточно прочная и плотная клеточная стенка, состоящая из двух или трех слоев и не дающая им выращивать ложноножки или совершать колебательные движения всем телом. 

По этой причине большинство микробов использует своеобразные клеточные "весла", так называемые жгутики, для перемещения в окружающей среде. Некоторые микробы, как показывают исследования последних лет, научились пользоваться жгутиками и для других целей – в качестве своеобразных "абордажных" крюков, позволяющих им притягивать себя к другим объектам, и даже для передачи электричества.

Сегодня устройством и принципами работы этих "биомоторов" интересуются инженеры и нанотехнологи, так как подобные устройства, обладающие рекордной мощностью и экономичностью, в будущем могут стать основой для нанороботов и прочих гаджетов. Первые попытки понять, как можно это сделать, рассказывает Хьюз, привели к неожиданному открытию.

Оказалось, что любые попытки модифицировать структуру "мотора" приводили к фатальным для микроба последствиям – бактерия или теряла способность двигаться, или просто разваливалась на части. Хьюз и ее коллеги попытались выяснить, почему это происходило, изучив молекулярную структуру "биомотора" сальмонелл и обычной кишечной палочки.

Центральным компонентом любого жгутика, как объясняют ученые, является так называемый стержень – плотное образование в основании "биомотора",  играющее роль его оси. Его верхняя часть состоит из множества повторяющихся элементов, молекул белка FlgG, большое число которых заставило ученых предположить, что эта часть стержня формируется путем самосборки.

Команда Хьюз пыталась понять, как это происходит, меняя число молекул в "стопке" FlgG и наблюдая за тем, как менялась работа мотора микроба, и когда он начинал ломаться. Ответ на последний вопрос был неожиданным – оказалось, что длина и работоспособность стержня зависела не только от мутаций в  FlgG, но и от структуры белка LppA, соединявшего внешнюю и внутреннюю мембрану микроба.

"Стержень должен касаться внешней мембраны для своей нормальной работы. Соответственно, если она находится далеко, то он растет до тех пор, пока не коснется ее. Кроме того, мы выяснили, что стержень жгутика является своеобразным якорем, который удерживает внешнюю мембрану бактерии на месте. Если этот якорь убрать, то тогда мембрана просто взорвется под действием осмоса", — поясняет биолог.

Как считают Хьюз и ее коллеги, открытие этого простого механизма, управляющего размерами "мотора" микроба, а также изучение других систем самосборки, отвечающих за формирование прочих компонентов жгутиков, может помочь медикам найти новые способы борьбы с микробами, которые используют "абордажные крюки" и жгутики для проникновения в организм человека. К примеру, препарат, сокращающий длину нитей LppA, может обездвижить микробов и сделать их более уязвимыми для атак иммунных клеток.