Бактерии, в отличие от некоторых простейших эукариот (амёб, отдельных видов жгутиконосцев и инфузорий) не могут двигаться по питательной среде, меняя форму своего тела. Их клетки окружает своеобразная «броня», достаточно прочная и плотная клеточная стенка, не дающая им выращивать ложноножки или совершать колебательные движения всем телом. По этой причине большинство микробов использует своеобразные клеточные «весла», так называемые жгутики, для перемещения в окружающей среде. Некоторые микробы, как показывают исследования последних лет, используют жгутики и для других целей – в качестве своеобразных «абордажных» крюков, позволяющих им притягивать себя к другим объектам, и даже для передачи электричества. Но сегодня разговор пойдёт не об этом.

Обычно считалось, что жгутики виляют как хвосты, а видимость спирального вращения является результатом волнового движения, передающегося вдоль жгутика, как у извивающейся змеи. Правда же намного более удивительна. Жгутик бактерии присоединен к приводу, который вращается свободно и неограниченно в отверстии, проходящем в стенке клетки. Это – настоящая ось, свободно вращающаяся втулка. Она приводится в движение крошечным молекулярным двигателем, который использует те же биофизические принципы, что и мышцы. Но мышца – двигатель с возвратно-поступательным движением, который после сжатия должен растянуться снова, чтобы подготовиться к новому силовому движению. Бактериальный мотор просто постоянно двигается в одном и том же направлении, как молекулярная турбина.

Детальное исследование

Бактериальный жгутик — это сложный наномеханизм, в чьем создании принимают участие около 240 различных белков. Внутренняя структура его двигателя также чрезвычайно сложна. Он состоит из более 50 разных молекулярных частей, каждый из которых выполняет определённую функцию, такую как ротация двигателя, изоляция, приводной вал, очерёдность переключения регулятора, универсальная связка, спиралевидный пропеллер и т.д. Диаметр двигателя составляете всего 30-40 нм (1 нм = одна миллиардная метра), при этом его эффективность преобразования энергии превышает 95%.

Встроенный в мембрану клетки, он позволяет микроорганизму передвигаться в выбранном направлении с определённой скоростью. Этот двигатель сформирован по тем же механическим принципам, что и электрический двигатель. В нём есть две главные части: движущаяся часть («ротор») и стационарная часть («статор»). Кроме этого в этом микродвигателе присутствуют — приводной вал и втулка, через которую приводной вал выходит наружу сквозь оболочку клетки. Вращательное движение такого двигателя превращается в волнообразные движения филамента. Двигатель и филамент вместе составляют «жгутик». Часто у бактерий имеется несколько жгутиков. Их согласованное движение позволяет клетке за 1 секунду перемещаться на расстояние, которое в 35 раз превышает ее собственную длину.

В отличие от наших электродвигателей, которые работают благодаря потоку отрицательно заряженных частиц (электронов в проводах), жгутиковый мотор приводится в движение положительно заряженным потоком ионов водорода (протоны H) из внешней среды внутрь клетки. (Исключение составляют морские бактерии и бактерии, живущие в высокощелочной среде: при низкой концентрации H они используют ионы натрия Na). Движение протонов осуществляется за счет электрического градиента или pH-градиента, а энергия, производящая градиент, образуется при окислении продуктов питания. Поток протонов изменяет форму одной из белковых молекул статора, что оказывает воздействие на одну из белковых молекул ротора и таким образом приводит его в движение.

«Жгутик – один из самый миниатюрных и мощных моторов в природе. Моторы, производимые сенной палочкой (Bacillus subtilis), могут вращаться со скоростью до 200 оборотов в секунду с вращательным моментом в 1400 пиконьютон-нанометров. Это достаточно большая мощность для миниатюрного механизма, ширина которого всего несколько десятков нанометров».

Рассмотрим жгутиковый двигатель более детально  Его важными узлами являются два соосных диска (называемые М- и S- дисками), центры которых соединены с вращающимся стержнем, выступающим наружу. На перефирии диска М находятся моторные белки Мot B. Белки Мot А встроены в мембрану и примыкают к краям дисков М и S. При этом белки Mot A  имеюn определенным образом пространственно организованные отрицательные заряды  и являются частью статора мотора. Вращающий момент возникает за счет взаимодействия субъединиц Мot B с белковыми субъединицами Мot А, расположенными на статоре электродвигателя. В состав субъединицы Мot А входят два протонных канала. Как вода течет на мельнице, так и протоны текут через эти каналы мембраны.

Протонодвижущая сила заставляет протоны проходить через базальную структуру внутрь клетки, при этом в какой-то момент они задерживаются в определенных участках ротора, придавая им положительный заряд, затем протоны уходят внутрь клетки. Заряженные участки расположены таким образом, что возникает сила притяжения между заряженными участками ротора и статора, кольцо начинает вращаться. установлено, что для полного оборота кольца через базальную структуру должно пройти 500-1000 протонов. У некоторых бактерий скорость вращения кольца превышает 1000 оборотов в секунду! Несмотря на такую скорость, бактерия может остановить жгутик всего за 1/3 оборота и тут же начать раскручивать его в обратную сторону! На работу жгутика бактерия тратит около 0,1% расходуемой энергии.

Когда жгутики начинают синхронно вращаться против часовой стрелки, они сплетаются в один пучок, образуя своеобразный пропеллер, чья сила заставляет бактерию двигаться почти по прямой линии. После изменения вращения жгутиков на противоположное, пучок расплетается. Когда жгутики снова начнут вращаться против часовой стрелки, направление движения микроорганизма будет отличаться от первоначального. Бактерия таким образом изменяет направление движения.

Сцепление

В состав жгутикового мотора входит даже сцепление, с помощью которого моторчик может отключить вращающийся ведущий вал от статора. Ученые Гарвардского университета и Университета Индианы в Блумингтоне совершенно случайно обнаружили это, исследуя биопленки.

Биопленки – это слизистые оболочки толщиной около доли миллиметра, которые образуются на любой поверхности, где есть запасы питательных веществ и воды – от зубов до водопроводных труб. Руководитель проекта биолог Дэниел Кирнс (Daniel Kearns) из университета Индианы поясняет:

«Мы пытались выяснить, как соотносятся между собой способность бактерий двигаться и процесс формирования биопленок. Мы искали гены, которые определяют, двигаться клетке или оставаться в покое. Хотя сенная палочка сама по себе безвредна, биопленки часто ассоциируются с инфекциями из-за наличия патогенных бактерий. Понимание процесса формирования биопленок может принести пользу в борьбе с бактериальными инфекциями»

Иначе говоря, быстрые и резкие движения бактерий могут нарушить процесс формирования пленок, поэтому бактериям необходим механизм, который бы незамедлительно прекращал их движение. Исследователи обнаружили, что для этого задействуется белок EpsE. Каким же образом он работает? Ученые предложили два возможных объяснения. В первом случае предполагалось, что EpsE работает как тормоз, приостанавливающий работу мотора. Во втором случае – что EpsE может функционировать как сцепление, отключающее мотор от жгутика (подобно тому, как в машине сцепление отсоединяет ведущие колеса от двигателя).

Чтобы определить, какая из версий правильная, ученые прикрепили жгутики к предметному стеклу и изучили поведение бактерий. Жгутиковый мотор оказался достаточно мощным, чтобы каждые пять секунд прокручивать весь микроорганизм при отсутствии белка EpsE. Если бы EpsE работал как тормоз, бактерия не смогла бы вращаться совсем, как не могут вращаться колеса на затормозившей машине. Если бы этот белок выступал в роли сцепления, то бактерия продолжала бы свободно вращаться, приводимая в движение другим источником, подобно тому, как под действием гравитации колеса машины катятся вниз по склону на нейтральной передаче. Как оказалось, при наличии белка бактерия могла вращаться пассивно, за счет случайного столкновения молекул (броуновское движение ) независимо от влияния жгутика.

Предполагается, что молекулярное сцепление EpsE стыкуется с ротором жгутика – кольцеобразной структурой в его основе. Взаимодействие EpsE с белковой молекулой ротора, которая называется FliG, меняет ее форму, что приводит к отсоединению жгутика от мотора.

«Подвижные клетки приходят в действие за счет взаимодействия белка FliG и белкового комплекса MotA/B (который генерирует вращающий момент). Белковая молекула EpsE действует в качестве молекулярного сцепления, разъединяющего вращающиеся части жгутикового мотора, при этом жгутик может продолжать двигаться, но уже без работы двигателя. Это блокирует подвижность и способствует образованию биопленки».

Механизм сцепления весьма эффективен: бактерии необходимо всего 15 минут, чтобы произвести один белок и остановить механизм вращения жгутика. Этот механизм также не влияет на функцию мотора – при необходимости он сразу возобновляет работу, не тратя времени на повторный запуск.

Ремонт двигателя

Исследование показывает, что жгутики бактерий могут заменять части своего ротора (движущаяся часть двигателя) во время его вращения. Результаты исследования, проведенного в Оксфордском университете, были опубликованы в журнале «Записки национальной академии наук».

Проведенные ранее исследования показали, что элементы стационарной части мотора (статора) могут заменяться, пока сам жгутик вращается, но то, что может заменяться и ротор, ученым было неизвестно.«Замещение элемента ротора намного удивительнее, чем замещение статора, поскольку до этого нам уже было известно о том, что ряд комплексов статора может заменяться, пока двигатель работает», — отметили ученые из Оксфордского университета. Вот, что говорится в кратком обзоре исследования:

«Большинство биологических процессов совершается мультипротеиновыми комплексами. Несмотря на то, что эти комплексы традиционно описываются как статические единицы, сегодня появились данные о том, что их компоненты могут быть очень динамичными и постоянно обмениваться с клеточными группами… Этот процесс приводится в действие трансмембранным ионным потоком через кольцо статорных комплексов, которые давят на центральный ротор. Двигатель Escherichia coli изменяет направление движения стохастически в ответ на связывание регулятора реакции CheY с переключателем ротора FliM. Нам многое известно о структуре статического двигателя, но только сейчас мы начинаем понимать динамику его различных компонентов… Мы показываем, что ~30 FliM-молекул на двигатель находятся в двух отдельных популяциях: одна тесно связана с двигателем, а вторая совершает стохастический оборот… Во многих отношениях двигатель бактериального жгутика представляет собой прототипную макромолекулярную установку, и наши результаты могут пролить еще больше света на функциональную значимость оборота протеинов в других крупных молекулярных комплексах».

«Двигатель бактериального жгутика – одна из наиболее сложных биологических наномашин», — такими словами начинается статья под редакцией Говарда Берга (Гарвард), ученого, который одним из первых начал заниматься исследованием жгутиков. С помощью специальных методов получения изображения команда исследователей из Оксфордского университета смогла распознать компоненты ротора, который совершает динамичный оборот в пределах 30-40 секунд. Этот оборот может быть следствием текущего ремонта двигателя, либо же он может иметь функциональное значение. Например, он может участвовать в переключении вращения с нормальных оборотов против часовой стрелки на случающееся время от времени «переворачивание» по часовой стрелке, которое бактерия совершает, когда следует по химическому пути. У E. coli, у которой насчитывается от 4 до 8 жгутиков, оборот может быть частью синхронизации жгутиков, однако ученые еще не знают этого точно. По-видимому, передача сигналов из окружающей среды также задействована в обороте, так как регулятор реакции в пути передачи сигнала во время хемотаксиса «также необходим для осуществления умеренного FliM-оборота в наших экспериментах», – отметили исследователи. И хотя не ясно, является она триггером или побочным продуктом переключения от нормального типа к переворачивающему типу, это очень интересная связь:«Данная работа является прямым доказательством зависимого от сигнала динамичного обмена компонентов системы переключателя в функционирующих двигателях жгутиков, что увеличивает вероятность участия оборота в механизме передачи сигнала».

Представьте, что вам нужно заменить лопасти на бортовом моторе, пока он вращается.

Майкл Мэнсон прокомментировал эти данные в журнале «Записки национальной академии наук», сообщая дополнительные интересные подробности о бактериальных жгутиках: «Жгутиковый двигатель – первое обнаруженное биологическое поворотное устройство»(Берг, 1973)». Далее он отметил: «Жгутик вращается со скоростью от нескольких сотен до >1,000 оборотов в секунду в зависимости от вида бактерии». Он предоставил список деталей, схему поперечного разреза, а также описал механизмы вращения и работы жгутика. «Рост жгутика уменьшается с длиной, а поврежденные жгутики способны регенерироваться», — продолжает ученый. «Развернутые субъединицы флагеллина (белок жгутиков) проникают через полый центр жгутика и собираются на его дистальном конце. В длине одного жгутика помещается несколько клеток, и они довольно хрупкие; им просто необходима динамичная природа. Каждый жгутиковый двигатель функционирует на протяжении жизни своей клетки». Мэнсон описал, как протоны проходят через Mot-комплексы (части статора), а затем связываются с ротором, а также то, как эти комплексы должны быть прочно сцеплены с клеточной стенкой, чтобы выдерживать огромный вращающий момент, возложенный на них двигателем: «Высокий вращающий момент, необходимый для того, чтобы повернуть жгутик под огромным грузом, требует, чтобы Mot-комплексы были прочно присоединены к клеточной стенке». Но «даже, несмотря на такое прочное фиксирование, статор является удивительно динамичным». Другие исследования показывают, что части Mot-белка также совершают быстрый переворот – и это при периоде полураспада в 30 секунд.

Относительно данных, полученных командой ученых из Оксфордского университета, Мэнсон сказал:«Обмен частями в статоре и роторе может быть просто рутинным ремонтом, а скопления 18 FliM-молекул могут представлять собой устройства хранения, а не промежуточные комплексы сборки. Таким образом, авторы с осторожностью делают предположение о том, участвует ли FliM-оборот в переключательной функции C кольца, подчёркивая, что обмен FliM-субъединиц может быть либо причиной, либо следствием изменения работы двигателя». Но когда Мэнсон с нетерпением ожидал новых данных в этой области исследования жгутиков и других молекулярных механизмов, он наиболее высоко оценил именно этот особый механизм: «Подобного рода исследования, несомненно, помогут раскрыть новые тайны внутренней работы изысканного молекулярного механизма двигателя жгутиков».

Схожие по сути, разные по исполнению

Настоящим прорывом, позволившим заполнить информационный вакуум и прояснившим главные особенности строения биологического двигателя бактерий стало исследование группы специалистов Имперского колледжа в Лондоне под руководством Моргана Биби (Morgan Beeby). Используя технологию 3D-электронной криотомографии (electron cryotomography) ученые смогли получить качественные снимки естественных биодвигателей микроорганизмов, определить аналогии и различия с двигателями, изобретенными человеком, проанализировать и поставить в соответствие особенности белковой структуры биодвигателей и функций, выполняемые отдельными элементами их конструкции.

Различие в двигательных способностях различных микроорганизмов, одни из которых буквально “просверливают” своими винтовыми “пропеллерами-жгутиками” вязкие жидкости организма (желудочно-кишечная слизь и т. п.), в то время как другие оказываются почти обездвижены, натолкнули ученых на мысль, что бактерии обладают собственным внутренним биологическим двигателем с вполне определенными, ограниченными и измеряемыми характеристиками крутящего момента. Для подтверждения своей гипотезы ученые провели интересный эксперимент с использованием технологии криотомографии.

Принцип, используемый в электронной 3D-криотомографии достаточно прост для понимания. Исследуемые образцы, охлажденные до некоторой температуры помещаются под раструб электронного микроскопа. Практически полная неподвижность молекулярной структуры при низких температурах позволила группе Моргана Биби отснять целую коллекцию фотографий биологических движков бактерий Campylobacter Jejuni, Salmonella Tyhimurium и Vibrio Fischeri в различных ракурсах. Собранная коллекция уникальных снимков позволила ученым воссоздать трехмерную модель биологического двигателя бактерий трех вышеперечисленных видов.

Проведенные эксперименты продемонстрировали удивительный факт: несмотря на сходство общих принципов работы, микробиологические двигатели каждого вида микроорганизмов уникальны. Отличия зафиксированы как на уровне размеров и производительности, так и на уровне формы, сложности механизма, величины крутящего момента и множества других параметров, прямо и косвенно влияющих на работу биодвигателей. Вместе с тем, общим для всех видов элементом конструкции оказались неподвижные кольца-диски, выполняющие роль аналогичную статору электродвигателя. Именно благодаря им биодвигатель вырабатывает определенный крутящий момент, который и приводит в движение всевозможные жгутики — “пропеллеры” бактерии, перемещающие ее в нужном направлении с оптимальной для данной среды скоростью и усилием.

Абсолютным лидером по размерам, сложности конструкции и величине крутящего момента в пределах проведенного эксперимента оказался двигатель бактерии Campylobacter, диаметр диска-статора которого вдвое превышает аналогичный параметр у бактерии Salmonella. Характерно, что конструкции различны не только по размеру, но и по числу дисков.

Ученые пришли к еще одному очень интересному выводу, обнаружив прямую зависимость между предельным уровнем вырабатываемой энергии и спецификой “миссии”, которую бактерия или вирус выполняет в организме. Так, к примеру, энергии, вырабатываемой биологическим двигателем Campylobacter оказывается достаточно, чтобы совершать экскурсии в пределах среды кишечника живого организма, где бактерия живет и функционирует, но недостаточно, чтобы проникнуть сквозь его стенки. По мнению ученых разнообразие форм и размеров биологических двигателей, объединенных единым принципом действия свидетельствует в пользу древности происхождения обнаруженного механизма.

Ученые смогли также определить белковые компоненты структурных элементов двигателя и последовательность их сборки, обосновав функциональное назначение каждого из элементов для работы всего биологического устройства. “Количественные результаты исследований биодвигателей с различными крутящими моментами позволили нам четко обозначить назначение основных компонентов этой биологической конструкции и снять целый ряд важных ограничений на пути к пониманию механизмов генерации крутящего момента и эволюции мультибелковых комплексов” – говорится в публикации.

Как мы видим, бактерии — это вовсе не примитивные комочки жизни, как думали ранее, а чрезвычайно сложно устроенные существа, конструирование которых требует просто непревзойдённого разума, несопоставимого с человеческим.