Получены качественные снимки, создана 3D-модель и проанализирован механизм действия наноразмерных биодвигателей бактерий

Приветствуем вас на страницах блога iCover! Как известно, некоторые виды микроорганизмов перемещаются благодаря своим быстро вращающимся жгутикам, источник и механизм движения которых давно не давал покоя научному миру. Но уяснить и, тем более, визуализировать скрытые механизмы такого перемещения до настоящего момента ученым не удавалось. Настоящим прорывом, позволившим заполнить информационный вакуум и прояснившим главные особенности строения биологического двигателя бактерий стало исследование группы специалистов Имперского колледжа в Лондоне под руководством Моргана Биби (Morgan Beeby). Используя технологию 3D-электронной криотомографии (electron cryotomography) ученые смогли получить качественные снимки естественных биодвигателей микроорганизмов, определить аналогии и различия с двигателями, изобретенными человеком, проанализировать и поставить в соответствие особенности белковой структуры биодвигателей и функций, выполняемые отдельными элементами их конструкции.

Различие в двигательных способностях различных микроорганизмов, одни из которых буквально “просверливают” своими винтовыми “пропеллерами-жгутиками” вязкие жидкости организма (желудочно-кишечная слизь и т. п.), в то время как другие оказываются почти обездвижены, натолкнули ученых на мысль, что бактерии обладают собственным внутренним биологическим двигателем с вполне определенными, ограниченными и измеряемыми характеристиками крутящего момента. Для подтверждения своей гипотезы ученые провели интересный эксперимент с использованием технологии криотомографии.

Принцип, используемый в электронной 3D-криотомографии достаточно прост для понимания. Исследуемые образцы, охлажденные до некоторой температуры помещаются под раструб электронного микроскопа. Практически полная неподвижность молекулярной структуры при низких температурах позволила группе Моргана Биби отснять целую коллекцию фотографий биологических движков бактерий Campylobacter Jejuni, Salmonella Tyhimurium и Vibrio Fischeri в различных ракурсах. Собранная коллекция уникальных снимков позволила ученым воссоздать трехмерную модель биологического двигателя бактерий трех вышеперечисленных видов.

_{High-torque bacterial flagellar motors assemble large periplasmic disk complexes. (A–C) Tomographic slices through intact cells of Salmonella (A), V. fischeri (B), and C. jejuni © showing individual flagellar motors. Height of all image panels is 100 nm. (D–F) Slices (100 × 100 × 0.81 nm) through subtomogram averages of hundreds of motors. Color keys indicate the regions of the motor (named in G–I), of Salmonella (average of 286 motors) (D), V. fischeri (average of 302 motors) (E), and C. jejuni (average of 156 motors) (F). (G–I) Isosurface renderings of motors shown in D–F. FliI and FlhAC are components of the flagellar type III secretion system.}

Проведенные эксперименты продемонстрировали удивительный факт: несмотря на сходство общих принципов работы, микробиологические двигатели каждого вида микроорганизмов уникальны. Отличия зафиксированы как на уровне размеров и производительности, так и на уровне формы, сложности механизма, величины крутящего момента и множества других параметров, прямо и косвенно влияющих на работу биодвигателей. Вместе с тем, общим для всех видов элементом конструкции оказались неподвижные кольца-диски, выполняющие роль аналогичную статору электродвигателя. Именно благодаря им биодвигатель вырабатывает определенный крутящий момент, который и приводит в движение всевозможные жгутики — “пропеллеры” бактерии, перемещающие ее в нужном направлении с оптимальной для данной среды скоростью и усилием.

Абсолютным лидером по размерам, сложности конструкции и величине крутящего момента в пределах проведенного эксперимента оказался двигатель бактерии Campylobacter, диаметр диска-статора которого вдвое превышает аналогичный параметр у бактерии Salmonella. Характерно, что конструкции различны не только по размеру, но и по числу дисков.

_{Unsymmetrized motors showing clear symmetries. C. jejuni motors (A, Left) exhibited clear 17-fold symmetry (A, Right), which was applied to improve the signal-to-noise ratio (B). V. fischeri exhibited 13-fold symmetry ©, which was applied to improve the signal-to-noise ratio (D).}

Ученые пришли к еще одному очень интересному выводу, обнаружив прямую зависимость между предельным уровнем вырабатываемой энергии и спецификой “миссии”, которую бактерия или вирус выполняет в организме. Так, к примеру, энергии, вырабатываемой биологическим двигателем Campylobacter оказывается достаточно, чтобы совершать экскурсии в пределах среды кишечника живого организма, где бактерия живет и функционирует, но недостаточно, чтобы проникнуть сквозь его стенки. По мнению ученых разнообразие форм и размеров биологических двигателей, объединенных единым принципом действия свидетельствует в пользу древности происхождения обнаруженного механизма.

Ученые смогли также определить белковые компоненты структурных элементов двигателя и последовательность их сборки, обосновав функциональное назначение каждого из элементов для работы всего биологического устройства. “Количественные результаты исследований биодвигателей с различными крутящими моментами позволили нам четко обозначить назначение основных компонентов этой биологической конструкции и снять целый ряд важных ограничений на пути к пониманию механизмов генерации крутящего момента и эволюции мультибелковых комплексов” – говорится в публикации.

Исследования, проведенные учеными и полученные результаты имеют важнейшее практическое значение, поскольку открывают принципиально новые возможности при создании нанороботов, нуждающихся для достижения своих целей в автономных “двигателях” со строго определенными параметрами и техническими характеристиками. Другими словами, располагая базой данных о естественных биологических двигателях с нужными характеристиками, специалисты, занятые в области нано-робототехники смогут создать любой нужный искусственный нано-аналог просто подобрав нужный вариант в библиотеке и скопировав вариант, предложенный и проверенный самой природой.

_{Источник newscientist.com
Всех, кто пожелает ознакомиться с результатами эксперимента подробнее приглашаем на pnas.org}

Уважаемые читатели, мы всегда с удовольствием встречаем и ждем вас на страницах нашего блога. Мы готовы и дальше делиться с вами актуальными новостями, обзорными материалами и другими публикациями, и постараемся сделать все возможное для того, чтобы проведенное с нами время было для вас полезным. И, конечно, не забывайте подписываться на наши рубрики.
Другие наши статьи и события