В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, исследователи из Техасского университета A&M обнаружили, что придатки, управляющие перемещением бактерий, называемые жгутиками, очень точно приспосабливаются к изменениям вязкости жидкостей. Эта адаптация позволяет бактерии продолжать использовать свои жгутики для поиска питательных веществ, сенсорных поверхностей и создания колоний в различных средах обитания.
«Существует значительный интерес к биомедицинским областям, чтобы понять, как отдельные бактериальные клетки переходят от одинокого существования к образу жизни сообщества», – сказал д-р. Пушкарь Леле, доцент кафедры химического машиностроения имени Арти Макферрина. "Чтобы ответить на этот вопрос, мы исследуем роль жгутика как центра реакции, когда бактерия сталкивается с различными типами окружающей среды."
Чтобы перейти к питательным веществам, бактерии используют хемотаксис – процесс, с помощью которого они улавливают химические вещества и плывут в направлении увеличения или уменьшения концентрации. Роль жгутика в навигации известна – он обратимо переключается между направлением вращения по и против часовой стрелки для облегчения хемотаксиса. Вращение жгутиков обеспечивается внутренними блоками статора, аналогичными концепции статора, который вращает ротор в электродвигателе потолочного вентилятора.
Но более свежие данные свидетельствуют о том, что жгутик также играет роль в восприятии изменений в механической среде клетки – процесс, называемый механочувствительностью. Таким образом, если бактерия столкнется с увеличением сопротивления вращению своих жгутиков, это будет ощущаться как увеличение вязкости окружающей среды.
В ответ жгутиковый двигатель задействует дополнительные блоки статора для компенсации за счет развития большей мощности. Однако исследования также показали, что такое увеличение сопротивления предотвращает переключение жгутиком направления вращения, потенциально приводя к остановке механизма хемотаксиса.
«Это наблюдение представляет собой загадку», – сказал Леле. «Хемотаксис вряд ли будет ограничен одним типом вязкой среды. Итак, мы задавались вопросом, происходили ли какие-либо адаптации внутри жгутикового двигателя, которые восстанавливали переключение направлений и, как следствие, хемотаксис в различных вязких средах."
Для своих экспериментов исследователи выбрали штамм E. coli с флуоресцентно меченным белком хемотаксиса CheY-P, который связывается с жгутиковым двигателем, чтобы инициировать переключение жгутиков.
Исследователи приложили сопротивление к двигателю, а затем наблюдали уровень флуоресценции с помощью мощных микроскопов. Они обнаружили, что флуоресценция упала ниже базовой линии, когда они удалили белки статора с помощью генетических методов.
Для сравнения, уровень флуоресценции оставался на исходном уровне, когда статоры непрерывно передавали крутящий момент для вращения двигателя. Это предполагает, что присутствие блоков статора способствует связыванию CheY-P с двигателем.
Основываясь на этих наблюдениях, команда предположила, что в средах с высокой вязкостью увеличение механического крутящего момента, обеспечиваемого дополнительными блоками статора, увеличивает связывание CheY-P с двигателем, тем самым поддерживая гомеостаз в функции переключения жгутика.
Леле указал, что этот феномен тонкой настройки внутреннего состояния для адаптации к изменяющимся механическим нагрузкам имеет грубое сходство с проприоцептивной адаптацией, когда организмы с нервной системой постоянно интуитивно чувствуют свое положение и скорость, чтобы внести адаптивные изменения для достижения гомеостаза или стабильного физиологического состояния . Например, скелетно-мышечная система насекомых внутренне адаптируется и приспосабливается к различным нагрузкам на конечности, чтобы сохранять осанку и сцепление при ходьбе по полу или потолку.
«Гомеостаз при переключении жгутиков, по-видимому, помогает подвижным бактериям образовывать стаи и колонизировать различные среды», – сказал Леле. "Объяснение основы наблюдаемой связи между механочувствительностью и хемотаксисом будет иметь важное значение для предотвращения бактериальной колонизации, инфекций и устойчивости к антибиотикам в будущем."
Это исследование финансируется Министерством обороны и Национальным институтом общих медицинских наук США.