Учёные подробно разглядели структуру, которой бактерии пользуются для принятия решений

Биологи из Иллинойского университета представили отчёт о механизме, который отвечает у бактерий за хемотаксис — двигательная реакция, вызванная внешними раздражителями. Устройство этой структуры, отдалённо напоминающей органы чувств и нервную систему организмов, было подробно изучено на молекулярном уровне.

Бактерии способны двигаться по направлению к веществам, привлекательным для них (обычно это питательные вещества – сахара, аминокислоты), и уходить от отталкивающих их веществ (жирные кислоты, спирты). При этом бактерии обладают большой чувствительностью, и способны реагировать на изменения концентрации веществ на 0,1%. Кроме того, рецепторы бактерий способны реагировать на свет.

«На поверхности бактерии имеются тысячи рецепторов, сканирующих окружающую среду, и сообщающих бактерии, что нужно делать»,- поясняет профессор Клаус Шультен [Klaus Schulten]. Процесс напоминает работу органов чувств у высших животных, за исключением того факта, что у бактерий нет центральной нервной системы. И всё-таки они способны не только реагировать на внешние раздражители, но и использовать механизм рудиментарной памяти, позволяющий им выживать.

Поверхностные рецепторы передают информацию на более глубокий слой белков, называемый киназой, которая интерпретирует полученные данные, на основании чего даёт команды «продолжаем движение» или «меняем направление». В последнем случае эта киназа передаёт химическую команду другой киназе, которая непосредственно контролирует движения жгутика бактерии.

Ранние попытки исследования принципов функционирования упомянутой молекулярной структуры при помощи электронных микроскопов и кристаллографии наталкивались на несовершенства этих технологий – в частности, их низкое разрешение. Авторы работы создали технологию, позволяющую очистить ключевые белки структуры, и комбинировать их таким образом, чтобы они собирались в тонкие слои. В результате удалось получить чёткие трёхмерные снимки как их пространственного расположения, так и взаимодействия друг с другом.

Специально разработанный комплекс компьютерного моделирования, работавший на суперкомпьютере Blue Waters, построил трёхмерную модель системы на основе симуляций реакций каждого атома в структуре, и полученных различными методами данных. Полученная модель подробно объясняет взаимодействие между частями хемосенсорной структуры.

Новое, улучшенное представление о работе структуры даёт много ответов и поднимает много новых вопросов. Как сигнал проходит от рецепторов к киназе, схема взаимодействия всех компонентов системы хемотаксиса – всё это предстоит изучать. Шультен сравнивает этот процесс познания с изучением сложных механических часов.

«Чтобы понять работу механической системы, нам надо выяснить её структуру,- говорит он. – Когда мы откроем часы и увидим, как шестерёнки связаны друг с другом, мы сможем начать раздумывать над принципом работы часов. И нам уже известно, как связаны шестерёнки в „мозгу“ бактерий».