Cell揭开了长达50年的谜团,揭示了细菌是如何移动的

【字体: 时间:2022年09月29日 来源:Cell

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  研究人员使用低温电子显微镜从原子细节上揭示了细菌“螺旋桨”的结构。

  
   

Ending a 50-year mystery, scientists reveal how bacteria can move    

图片:弗吉尼亚大学医学院的Edward H. Egelman博士和他的合作者使用冷冻电子显微镜揭示了细菌是如何移动的——结束了一个持续了50多年的谜团。埃格曼先前的成像工作使他入选了享有盛名的美国国家科学院,这是科学家所能获得的最高荣誉之一。    

图片来源:弗吉尼亚大学通讯学院Dan Addison |

弗吉尼亚大学医学院的研究人员和他们的合作者解决了一个长达几十年,关于大肠杆菌和其他细菌如何能够移动的谜题。

细菌通过将长长的、像线一样的附属部件卷成开瓶器的形状来推动自己前进,就像临时的螺旋桨一样。但它们是如何做到这一点的让科学家们感到困惑,因为“螺旋桨”是由单一蛋白质组成的。

由弗吉尼亚大学的Edward H. Egelman博士领导的一个国际团队已经解决了这个问题。Edward H. Egelman博士是高科技低温电子显微镜(cryo-EM)领域的领导者。研究人员使用低温电子显微镜和先进的计算机模型揭示了传统光学显微镜无法看到的东西:这些螺旋桨在单个原子水平上的奇怪结构。

弗吉尼亚大学生物化学和分子遗传学系的Egelman说:“虽然关于这些纤维如何形成规则的卷曲形状的模型已经存在了50年,但我们现在已经确定了这些纤维的原子细节结构。”“我们可以证明这些模型是错误的,我们的新理解将有助于为基于这种微型螺旋桨的技术铺平道路。”

细菌“超级线圈”

不同的细菌有一个或多个附属部件,称为鞭毛,鞭毛由数千个亚基组成,但所有这些亚基都完全相同。你可能认为这样的尾巴应该是直的,或者充其量有点灵活,但这将使细菌无法移动。这是因为这样的形状不能产生推力。它需要一个旋转的螺旋状推进器来推动细菌前进。科学家称这种形状的形成为“超级螺旋”,现在,在50多年后,他们了解了细菌是如何做到这一点的。

使用低温电子显微镜,Egelman和他的团队发现组成鞭毛的蛋白质可以以11种不同的状态存在。正是这些状态的精确混合导致了螺旋形的形成。

人们已经知道,细菌中的螺旋桨与被称为古生菌的健康单细胞生物使用的类似螺旋桨截然不同。古生菌在地球上一些最极端的环境中被发现,比如在接近沸腾的酸池中,在海洋的最底部,在地下深处的石油矿床中。

Egelman和他的同事用低温电子显微镜检查了一种古生菌的鞭毛,Saccharolobus islandicus他发现形成鞭毛的蛋白质以10种不同的状态存在。虽然细节与研究人员在细菌中看到的非常不同,但结果是一样的,纤维形成了规则的开瓶器。他们得出的结论是,这是“趋同进化”的一个例子——当大自然通过非常不同的方式达到相似的解决方案时。这表明,尽管细菌和古生菌的螺旋桨在形式和功能上是相似的,但这些生物体是独立进化出这些特征的。

“就像鸟类、蝙蝠和蜜蜂一样,它们都独立进化出了飞翔的翅膀,细菌和古生菌的进化也趋同于一种类似的游泳方法,”Egelman说。他先前的成像工作使他入选了美国国家科学院,这是科学家能获得的最高荣誉之一。“自从这些生物结构数十亿年前在地球上出现以来,我们花了50年的时间来理解它们,可能看起来并不长。”

原文标题:

Convergent evolution in the supercoiling of prokaryotic flagellar filaments

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