Ученые объяснили механизм сборки бактериального жгутика

Американские и британские ученые выяснили, как формируется стержень бактериального жгутика — структура, передающая вращение от внутриклеточного молекулярного мотора на наружный филамент. Результаты работы опубликованы в журнале Science.

Жгутик, вращающийся со скоростью до 60 тысяч оборотов в минуту, обеспечивает бактериальной клетке движение в жидких средах и по поверхностям, а также принимает участие в формировании биопленок. Его работа зависит от крайне точной сборки в процессе развития бактерии. Общее устройство жгутика к настоящему времени описано достаточно хорошо: он состоит из внутриклеточного роторного мотора, работающего за счет перемещения ионов, систем закрепленных на мембранах колец, расположенного в периплазматическом пространстве между внутренней и наружной мембранами стержня, который соединен белковым крюком с фибриллой, обеспечивающей движение.

Стержень жгутика сформирован двумя структурами: проксимальной (длиной примерно семь нанометров) из четырех разных белков и дистальной (длиной примерно 18 нанометров) из приблизительно 50 копий белка FlgG. Их сборка происходит по направлению от внутренней к наружной мембране бактериии. При этом механизмы контроля длины стержня при сборке — одного из основных параметров, обеспечивающих нормальную работу жгутика — до сих пор описаны не были.

Чтобы разобраться в этом вопросе, сотрудники Университета Юты, Лондонского имперского колледжа и Калифорнийского технологического университета пронаблюдали за сборкой стержня у бактерии Salmonella enterica с мутациями FlgG, приводящими к увеличению его длины до примерно 60 нанометров и, как следствие, неперпендикулярному мембранам расположению в периплазматическом пространстве и нарушению подвижности. В частности, ученых заинтересовала роль белка LppA, участие которого в процессе сборки стержня было неизвестным. Этот белок одним концом крепится к внутренне поверхности наружной мембраны, а другим — к петидогликановому слою в периплазматическом пространстве и, таким образом, может влиять на ширину этого пространства.

В ходе экспериментов с выключением гена LppA выяснилось, что отсутствие этого белка несколько снижает подвижность обычных бактерий, зато повышает ее в два-три раза у микрооранизмов с мутантной формой FlgG. Это происходило за счет того, что LppA не ограничивал ширину периплазматического пространства, позволяя удлиненному стержню раздвигать его в процессе сборки и располагаться параллельно мембранам бактерии.

Экспериментируя с модифицированными сальмонеллами, имеющими различную длину LppA, ученые установили, что этот белок играет ключевую роль в регулировании просвета периплазматического пространства, и что сборка (и, соответственно, длина) стержня ограничивается величиной этого просвета. Таким образом, регулятором формирования трансмембранной части жгутика оказался структурный белок LppA.

Поскольку жгутики обеспечивают подвижность бактерии, понимание их формирования и функционирования может помочь в поиске средств для иммобилизации микроорганизмов и снижения их патогенности.

Жгутики бактерий интересуют не только биологов — они также служат источником вдохновения для создателей подвижных микроботов. Так, например, изучение жгутиков одноклеточных помогло швейцарским разработчикам создать мягких микроботов с программируемыми подвижностью и формой. Устройства планируется применять при проведении минимально инвазивных хирургических операций.

Олег Лищук