Edward H. Egelman, PhD, della UVA, ha utilizzato la microscopia crioelettronica per rivelare come i batteri possono muoversi, ponendo fine a un mistero di oltre 50 anni.

I ricercatori della School of Medicine e i loro collaboratori hanno risolto un mistero vecchio di decenni su come  E. coli  e altri batteri sono in grado di muoversi.

I batteri si spingono in avanti avvolgendo lunghe appendici filiformi in forme a cavatappi che fungono da eliche improvvisate. Ma come esattamente lo fanno ha sconcertato gli scienziati, perché le "eliche" sono fatte di una singola proteina. 

Un team internazionale guidato da Edward H. Egelman, PhD dell'UVA, leader nel campo della microscopia crioelettronica ad alta tecnologia (crio-EM), ha risolto il caso. I ricercatori hanno utilizzato la crio-EM e la modellazione computerizzata avanzata per rivelare ciò che nessun microscopio ottico tradizionale potrebbe vedere: la strana struttura di queste eliche a livello di singoli atomi.

"Sebbene esistano modelli per 50 anni su come questi filamenti potrebbero formare forme a spirale così regolari, ora abbiamo determinato la struttura di questi filamenti in dettaglio atomico", ha affermato Egelman, del Dipartimento di Biochimica e Genetica Molecolare dell'UVA. "Possiamo dimostrare che questi modelli erano sbagliati e la nostra nuova comprensione aiuterà a spianare la strada a tecnologie che potrebbero essere basate su tali eliche in miniatura".

PROGETTI PER I "SUPERCOIL" DEI BATTERI

Diversi batteri hanno una o più appendici conosciute come flagello o, al plurale, flagelli. Un flagello è composto da migliaia di subunità, ma tutte queste subunità sono esattamente le stesse. Potresti pensare che una coda del genere sarebbe dritta, o nella migliore delle ipotesi un po' flessibile, ma ciò lascerebbe i batteri incapaci di muoversi. Questo perché tali forme non possono generare spinta. Ci vuole un'elica rotante simile a un cavatappi per spingere un batterio in avanti. Gli scienziati chiamano la formazione di questa forma "superavvolgimento" e ora, dopo più di 50 anni, capiscono come lo fanno i batteri.

Usando la crio-EM, Egelman e il suo team hanno scoperto che la proteina che compone il flagello può esistere in 11 stati diversi. È la precisa miscela di questi stati che provoca la formazione della forma a cavatappi.

È noto che l'elica nei batteri è abbastanza diversa da eliche simili utilizzate da sostanziosi organismi unicellulari chiamati archaea. Gli Archaea si trovano in alcuni degli ambienti più estremi della Terra, come nelle pozze di acido quasi bollenti, sul fondo dell'oceano e nei depositi di petrolio in profondità nel terreno.

Egelman e colleghi hanno utilizzato la crio-EM per esaminare i flagelli di una forma di archaea,  Saccharolobus islandicus , e hanno scoperto che la proteina che forma il suo flagello esiste in 10 stati diversi. Sebbene i dettagli fossero abbastanza diversi da quelli che i ricercatori hanno visto nei batteri, il risultato è stato lo stesso, con i filamenti che formavano normali cavatappi. Concludono che questo è un esempio di "evoluzione convergente" - quando la natura arriva a soluzioni simili con mezzi molto diversi. Ciò mostra che anche se i batteri e le eliche degli archaea sono simili per forma e funzione, gli organismi hanno sviluppato quei tratti in modo indipendente.

"Come con uccelli, pipistrelli e api, che hanno tutti ali evolute in modo indipendente per volare, l'evoluzione di batteri e archei è convergente su una soluzione simile per il nuoto in entrambi", ha detto Egelman, il cui precedente lavoro di imaging lo ha visto inserito nella National Academy delle scienze , uno dei più alti riconoscimenti che uno scienziato possa ricevere. "Dal momento che queste strutture biologiche sono emerse sulla Terra miliardi di anni fa, i 50 anni che ci sono voluti per capirle potrebbero non sembrare così lunghi".  

RISULTATI PUBBLICATI

I ricercatori hanno  pubblicato le loro scoperte sulla rivista scientifica Cell . Il team era composto da Mark AB Kreutzberger, Ravi R. Sonani, Junfeng Liu, Sharanya Chatterjee, Fengbin Wang, Amanda L. Sebastian, Priyanka Biswas, Cheryl Ewing, Weili Zheng, Frédéric Poly, Gad Frankel, BF Luisi, Chris Calladine, Mart Krupovic , Birgit E. Scharf e Egelman. 

Il lavoro è stato sostenuto dal National Institutes of Health, sovvenzioni GM122150 e T32 GM080186; Programma dell'unità di lavoro della Marina degli Stati Uniti 6000.RAD1.DA3.A0308; e da una borsa di studio Robert R. Wagner. L'articolo dei ricercatori non rappresenta la politica o la posizione ufficiale del Dipartimento della Marina, del Dipartimento della Difesa o del governo degli Stati Uniti.

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