Các nhà khoa học của Đại học Virginia đã giải đáp được một bí ẩn kéo dài hàng thập kỷ.

các nhà nghiên cứu từ trường đại học của Virginia Trường Y và các đồng nghiệp của họ đã giải đáp được một bí ẩn lâu đời về cách thức di chuyển của vi khuẩn E. coli và các vi khuẩn khác.

Vi khuẩn di chuyển về phía trước bằng cách xoắn các đầu dài như sợi chỉ của chúng thành hình xoắn ốc, chúng hoạt động như những chiếc quạt tạm thời. Tuy nhiên, vì “người hâm mộ” được tạo thành từ một loại protein duy nhất, các chuyên gia đang bối rối về cách chúng thực hiện chính xác.

Vụ việc được giải quyết bởi một nhóm quốc tế do Edward H đứng đầu. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng công nghệ Cryo-EM và mô hình máy tính mạnh mẽ để tiết lộ điều mà không kính hiển vi quang học thông thường nào có thể nhìn thấy: cấu trúc bất thường của những cánh quạt này ở cấp độ các nguyên tử riêng lẻ.

Eagleman, thuộc Khoa Sinh hóa và Di truyền Phân tử của UVA, cho biết: “Trong khi các mô hình đã tồn tại trong 50 năm về cách mà các sợi này tạo thành các hình dạng cuộn tròn đều đặn như vậy, thì giờ đây chúng tôi đã xác định được cấu trúc của các sợi này một cách chi tiết nguyên tử”. “Chúng tôi có thể chỉ ra rằng những mô hình này đã sai và sự hiểu biết mới của chúng tôi sẽ giúp mở đường cho những công nghệ có thể dựa trên những cánh quạt thu nhỏ như vậy.”

Edward H. Eagleman, Tiến sĩ, Đại học Y khoa Virginia, và các cộng sự của ông đã sử dụng kính hiển vi điện tử lạnh để khám phá cách vi khuẩn di chuyển – kết thúc một bí ẩn kéo dài hơn 50 năm. Tác phẩm nhiếp ảnh trước đây của Eagleman đã chứng kiến ​​anh gia nhập Học viện Khoa học Quốc gia danh giá, một trong những danh hiệu cao quý nhất mà một nhà khoa học có thể nhận được. Tín dụng: Dan Addison | Đại học Truyền thông Virginia

Sơ đồ các ‘siêu cấu hình’ của vi khuẩn

Các vi khuẩn khác nhau chứa một hoặc nhiều phần phụ được gọi là trùng roi, hoặc ở số nhiều, trùng roi. Trùng roi được tạo thành từ hàng nghìn đơn vị con, tất cả đều giống hệt nhau. Bạn có thể tưởng tượng rằng chiếc đuôi như vậy sẽ thẳng, hoặc ít nhất là hơi mềm, nhưng nó sẽ ngăn vi khuẩn di chuyển. Điều này là do thực tế là các hình thức như vậy không thể tạo ra động lượng. Cần có một chiếc quạt quay, giống như công tắc để đưa vi khuẩn về phía trước. Các nhà khoa học gọi việc phát triển hình dạng này là “siêu xoắn”, và giờ họ đã biết vi khuẩn thực hiện điều đó như thế nào sau hơn 50 năm nghiên cứu.

Eagleman và các đồng nghiệp đã phát hiện ra rằng protein tạo nên trùng roi có thể tồn tại ở 11 trạng thái khác nhau bằng cách sử dụng cryo-EM. Hình dạng của chìa khóa được định hình bởi sự kết hợp chính xác của các trạng thái này.

Quạt ở vi khuẩn được biết là khá khác với các loại quạt tương tự được sử dụng bởi các sinh vật tim đơn bào gọi là vi khuẩn cổ. Archaea được tìm thấy trong một số môi trường khắc nghiệt nhất trên trái đất, chẳng hạn như trong các ao gần như sôi.[{” 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.