Секреты вертихвостки

Микроорганизмы, обитающие в жидких средах, выработали эффективные способы исследовать окружающее их пространство, чтобы колонизировать наиболее богатые полезными ресурсами области.

Лучше всего эти способы изучены у кишечной палочки (E.coli) – условно-патогенной бактерии, обитающей в ЖКТ человека. Она активно передвигается в своей среде, последовательно используя два типа движения – линейное и круговое.

Суть сводится к тому, что бактерия то движется строго прямо с постоянной скоростью около 20 микрометров в секунду, то останавливается и начинает крутиться на месте, никуда не продвигаясь, затем опять плывет прямо. Прямолинейное движение длится примерно в 10 раз дольше «танцев на месте». В этом клипе можно разглядеть смену этих двух режимов.

Для движения кишечная палочка использует жгутики (флагеллы), которые закручиваются в пучки и, вращаясь, работают, как пропеллер (смотри заглавную картинку).

Если помните первый эпизод Звездных Войн, то там молодой Оби Ван, его учитель и ушастый инопланетянин (не помню имени) путешествовали под водой на корабле с похожим движителем, только у бактерий каждый жгутик вращается отдельно.

флагеллы

Вращение жгутика, а точнее механизм, который его вращает – это очень интересная штука. Дело в том, что для вращения жгутика у бактерии есть небольшой, примерно 45 нм в диаметре. В нем есть статор, ротор, адаптор, и движитель (сам жгутик).

мотор флагеллы

В движение его приводит ток протонов (H+) из внеклеточного пространства в цитоплазму бактерии. Посчитано, что для одного полного поворота нужно 1,000 протонов. Скорость вращения мотора у кишечной палочки достигает 16,000 оборотов в минуту, но у некоторых видов бактерий мотор может совершать 100,000 оборотов в минуту.

Флагеллы могут вращаться как по часовой, так и против часовой стрелки. Но это нужно не для реверсного хода, а для изменения модели движения бактерии с прямолинейного на вращение.

Бактерия движется линейно только тогда, когда все ее жгутики одновременно вращаются против часовой стрелки, сплетаясь в пучок. Если некоторые жгутики начинают вращаться в другую сторону, то пучок расплетается, и бактерия кружится на месте.

движения бактерий

В результате то совместного, то разобщенного вращения жгутиков бактерия движется по как будто непредсказуемой трехмерной траектории. Но на самом деле этот процесс управляем.

Электрические моторы кишечной палочки слушаются системы специальных трансмембранных рецепторов и их внутриклеточных мессенджеров. Бактерия ищет зоны с максимально благоприятными условиями для жизни. Чтобы найти их ей нужно сканировать пространство вокруг себя и двигаться в определенную сторону.

Трансмембранные рецепторы (methyl-accepting chemotaxis proteins; MCPs) позволяют кишечной палочке чувствовать присутствие питательных веществ (аттрактантов).  Внутри цитоплазмы эти рецепторы соединены с молекулами-адапторами – CheB, CheA, CheW, CheZ, CheR и CheY.

флагеллы

Когда рецепторы MCP не чувствуют питательных веществ, то весь каскад молекул-адапторов работает так, что жгутики крутятся по часовой стрелке, замедляя линейное движение и заставляя бактерию кружится на месте.

Как только рецепторы почувствуют аттрактанты – активность CheY возрастет, и жгутики начнут крутиться против часовой стрелки, способствуя линейному движению. Так бактерия и перемещается с места на место в поисках зон с высокой концентрацией питательных веществ и низкой концентрацией различных репеллентов.

На этом, однако, чудеса не заканчиваются. В 2008 году исследователи из Indiana University Bloomington и Harvard University опубликовали детали механизма, который останавливает вращение жгутиков у бактерий, начинающих образовывать биопленки.

Для формирования биопленки нужно чтобы бактерии были малоподвижны. Значит нужно как-то остановить постоянно работающие мотор флагелл. Оказалось, что для этого есть белок EpsE, который выполняет в этом моторе функцию автомобильного сцепления.

сцепление флагеллы

EpsE размыкает ротор (FliG в составе мотора) и протоновый канал (MotA/MotB), в результате мотор больше не вращает жгутик, но сам он способен вращаться пассивно под воздействием внешних сил.

Такая четкая механика наводит на мысль об управлении ей, например, при помощи внутриклеточных антител. Исследователи из Ludwig Maximillians University в Мюнхене уже поведали о том, как нанотелами смогли переместить адаптор CheW в бактериальной клетке от хеморецепторов в середину цитоплазмы, нарушив способность бактерий ориентироваться.

Но об этом как-нибудь в другой раз.

Добавить комментарий

Такой e-mail уже зарегистрирован. Воспользуйтесь формой входа или введите другой.

Вы ввели некорректные логин или пароль

Извините, для комментирования необходимо войти.