Los científicos resuelven el misterio de 50 años. ¿Cómo se mueven las bacterias?

Las bacterias avanzan retorciendo largos apéndices filamentosos en forma de sacacorchos que actúan como tornillos improvisados.

Científicos de la Universidad de Virginia han resuelto un misterio de hace décadas.

Investigadores de: Universidad de Virginia La Facultad de Medicina y sus colegas han resuelto un misterio de larga data sobre cómo se mueven la E. coli y otras bacterias.

Las bacterias avanzan girando sus largos apéndices filiformes en forma de sacacorchos, que sirven como tornillos hechos a sí mismos. Sin embargo, dado que los «tornillos» están hechos de una sola proteína, los expertos no saben cómo lo hacen.

El caso fue resuelto por un equipo internacional de UVA Ph.D. eduardo h Dirigido por Egelman, un pionero en el campo de alta tecnología de la microscopía crioelectrónica (crio-EM). Los investigadores utilizaron crio-EM y un potente modelado por computadora para revelar lo que ningún microscopio óptico tradicional puede ver: la estructura inusual de estos tornillos al nivel de los átomos individuales.

«Aunque ha habido modelos durante 50 años de cómo estos filamentos pueden formar formas enrolladas tan regulares, ahora hemos determinado la estructura de estos filamentos en detalle atómico», dijo Egelman del Departamento de Bioquímica y Genética Molecular de la UVA. «Podemos demostrar que estos modelos estaban equivocados, y nuestra nueva comprensión ayudará a allanar el camino para tecnologías que podrían basarse en hélices en miniatura».

El Dr. Edward Egelman de la Facultad de Medicina de la Universidad de Virginia y sus colegas utilizaron microscopía crioelectrónica para revelar cómo se pueden mover las bacterias, poniendo fin a más de 50 años de misterio. El trabajo anterior de imágenes de Egelman le valió una prestigiosa membresía en la Academia Nacional de Ciencias, uno de los más altos honores que puede recibir un científico. Crédito: Dan Addison |: Comunicaciones de la Universidad de Virginia

Diseños para ‘supercoils’ bacterianos

Diferentes bacterias tienen uno o más apéndices conocidos como flagelos, o en plural, flagelos. Una bandera se compone de miles de subunidades, todas las cuales son idénticas. Se podría imaginar que esa cola sería recta, o al menos algo flexible, pero esto evitaría que la bacteria se moviera. Esto se debe a que tales formas no pueden generar empuje. Se necesita un sacacorchos giratorio para hacer avanzar a las bacterias. Los científicos llaman a este cambio de forma «súper giro» y ahora saben cómo lo hacen las bacterias después de más de 50 años de investigación.

Egelman y sus colegas descubrieron que la proteína que forma el flagelo puede existir en 11 estados diferentes usando crio-EM. La forma del sacacorchos está formada por la combinación precisa de estos estados.

Se sabe que los tornillos bacterianos son bastante diferentes de los tornillos similares utilizados por organismos unicelulares abundantes llamados arqueas. Las arqueas se encuentran en algunos de los ambientes más extremos de la Tierra, como charcos de agua casi hirviendo.[{» 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.