العلماء يحلون لغزًا عمره 50 عامًا – كيف تتحرك البكتيريا؟

تمكن علماء جامعة فيرجينيا من حل لغز عمره عقود.

باحثون من جامعة فيرجينيا قامت كلية الطب وزملاؤهم بحل لغز طويل الأمد حول كيفية تحرك الإشريكية القولونية والبكتيريا الأخرى.

تتحرك البكتيريا للأمام عن طريق لف أطرافها الطويلة الشبيهة بالخيوط في أشكال لولبية تعمل كمراوح مؤقتة. ومع ذلك ، نظرًا لأن “المراوح” مصنوعة من بروتين ، فإن الخبراء مرتبكون بشأن كيفية قيامهم بذلك بالضبط.

كان إدوارد هـ. من UVA رائدًا في مجال التكنولوجيا الفائقة للفحص المجهري الإلكتروني (cryo-EM). تمت تسوية القضية من قبل لجنة دولية بقيادة إيجلمان ، دكتوراه. استخدم الباحثون تقنية Cryo-EM والنمذجة الحاسوبية القوية لكشف ما لا يمكن أن يراه المجهر الضوئي التقليدي: الهيكل غير العادي لهذه المراوح على مستوى الذرات الفردية.

قال إيجلمان من قسم الكيمياء الحيوية والوراثة الجزيئية في UVA: “على الرغم من وجود نماذج لكيفية تشكيل هذه الخيوط أشكالًا ملتفة منتظمة لمدة 50 عامًا ، فقد حددنا الآن بنية هذه الخيوط بالتفصيل الذري”. “يمكننا أن نظهر أن هذه النماذج خاطئة ، وفهمنا الجديد سيمهد الطريق لتقنيات تعتمد على مثل هذه المراوح المصغرة.”

إدوارد هـ. من كلية الطب بجامعة فيرجينيا. استخدم دكتور إيجلمان وزملاؤه الفحص المجهري الإلكتروني بالتبريد للكشف عن كيفية تحرك البكتيريا – مما أنهى لغزًا دام أكثر من 50 عامًا. أكسبته أعمال تصوير إيجلمان السابقة الالتحاق بالأكاديمية الوطنية للعلوم المرموقة ، وهي واحدة من أعلى درجات التكريم التي يمكن أن يحصل عليها العالم. الائتمان: دون أديسون | جامعة فرجينيا للاتصالات

المخططات الخاصة بـ “الملفات الفائقة” البكتيرية

البكتيريا المختلفة لها واحد أو أكثر من الزوائد تسمى السوط أو السوط في صيغة الجمع. يتكون السوط من آلاف الوحدات الفرعية ، وكلها متطابقة. يمكنك أن تتخيل أن مثل هذا الذيل سيكون مستقيمًا أو مرنًا إلى حد ما على الأقل ، لكن ذلك سيمنع البكتيريا من الحركة. هذا لأن مثل هذه الأنماط لا يمكن أن تولد الدافع. تحتاج البكتيريا إلى مروحة دوارة تشبه اللولب لدفع نفسها إلى الأمام. يطلق العلماء على تطوير هذا النمط اسم “الالتفاف الفائق” ، وبعد أكثر من 50 عامًا من البحث يعرفون الآن كيف تقوم البكتيريا بذلك.

اكتشف إيجلمان وزملاؤه أن البروتين الذي يتكون منه السوط يمكن أن يوجد في 11 حالة مختلفة باستخدام cryo-EM. يتم تشكيل شكل المفتاح من خلال الجمع الصحيح بين هذه المواقف.

من المعروف أن المروحة في البكتيريا مختلفة تمامًا عن المراوح المماثلة التي تستخدمها الكائنات وحيدة الخلية التي تسمى العتائق. تم العثور على الأركيا في بعض بيئات الأرض الأكثر قسوة ، مثل البرك القريبة من الغليان[{” attribute=””>acid, the very bottom of the ocean and in petroleum deposits deep in the ground.

Egelman and colleagues used cryo-EM to examine the flagella of one form of archaea, Saccharolobus islandicus, and found that the protein forming its flagellum exists in 10 different states. While the details were quite different than what the researchers saw in bacteria, the result was the same, with the filaments forming regular corkscrews. They conclude that this is an example of “convergent evolution” – when nature arrives at similar solutions via very different means. This shows that even though bacteria and archaea’s propellers are similar in form and function, the organisms evolved those traits independently.

“As with birds, bats, and bees, which have all independently evolved wings for flying, the evolution of bacteria and archaea has converged on a similar solution for swimming in both,” said Egelman, whose prior imaging work saw him inducted into the National Academy of Sciences, one of the highest honors a scientist can receive. “Since these biological structures emerged on Earth billions of years ago, the 50 years that it has taken to understand them may not seem that long.”

Reference: “Convergent evolution in the supercoiling of prokaryotic flagellar filaments” by Mark A.B. Kreutzberger, Ravi R. Sonani, Junfeng Liu, Sharanya Chatterjee, Fengbin Wang, Amanda L. Sebastian, Priyanka Biswas, Cheryl Ewing, Weili Zheng, Frédéric Poly, Gad Frankel, B.F. Luisi, Chris R. Calladine, Mart Krupovic, Birgit E. Scharf and Edward H. Egelman, 2 September 2022, Cell.
DOI: 10.1016/j.cell.2022.08.009

The study was funded by the National Institutes of Health, the U.S. Navy, and Robert R. Wagner.