Cientistas resolvem um mistério de 50 anos – como as bactérias se movem?

Cientistas da Universidade da Virgínia resolveram um mistério de décadas.

pesquisadores de Universidade da Virgínia A Faculdade de Medicina e seus colegas resolveram um mistério de longa data de como a E. coli e outras bactérias se movem.

As bactérias avançam torcendo suas extremidades longas e filiformes em formas espirais, que atuam como ventiladores improvisados. No entanto, como os “fãs” são compostos de uma única proteína, os especialistas estão confusos sobre como exatamente eles fazem isso.

O caso foi resolvido por uma equipe internacional liderada por Edward H. Os pesquisadores usaram a tecnologia Cryo-EM e uma poderosa modelagem computacional para revelar o que nenhum microscópio óptico convencional pode ver: a estrutura incomum dessas hélices no nível de átomos individuais.

“Embora existam modelos há 50 anos de como esses filamentos formam formas enroladas tão regulares, agora determinamos a estrutura desses filamentos em detalhes atômicos”, disse Eagleman, do Departamento de Bioquímica e Genética Molecular da UVA. “Podemos mostrar que esses modelos estavam errados, e nosso novo entendimento ajudará a pavimentar o caminho para tecnologias que podem ser baseadas em hélices em miniatura.”

Edward H. Eagleman, PhD, da Faculdade de Medicina da Universidade da Virgínia, e seus colaboradores usaram microscopia crioeletrônica para revelar como as bactérias se movem – encerrando um mistério de mais de 50 anos. O trabalho fotográfico anterior de Eagleman o levou a ingressar na prestigiosa Academia Nacional de Ciências, uma das maiores honras que um cientista pode receber. Crédito: Dan Addison | Universidade de Comunicações da Virgínia

Diagramas de ‘super-perfis’ de bactérias

Várias bactérias contêm um ou mais apêndices conhecidos como flagelos, ou no plural, flagelos. Um flagelo consiste em milhares de subunidades, todas idênticas. Você pode imaginar que essa cauda seria reta, ou pelo menos um pouco flexível, mas impediria que as bactérias se movessem. Isso se deve ao fato de que tais formas não podem gerar impulso. É necessário um ventilador rotativo semelhante a um interruptor para mover as bactérias para a frente. Os cientistas chamam o desenvolvimento dessa forma de “super-torção” e agora sabem como as bactérias fazem isso depois de mais de 50 anos de pesquisa.

Eagleman e colegas descobriram que a proteína que compõe o flagelo pode existir em 11 estados diferentes usando crio-EM. A forma da chave é moldada por uma combinação precisa desses estados.

O leque nas bactérias é conhecido por ser bastante diferente dos leques semelhantes usados ​​por organismos cardíacos unicelulares chamados archaea. Archaea são encontrados em alguns dos ambientes mais extremos da Terra, como em lagoas quase ferventes.[{” 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.