Los científicos resuelven un misterio de 50 años: ¿cómo se mueven las bacterias?

Las bacterias avanzan retorciendo los largos apéndices en forma de hilo en forma de espiral que actúan como abanicos 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 extremos en forma de hilo en forma de espiral, que actúan como abanicos improvisados. Sin embargo, debido a que los «fanáticos» se componen de una sola proteína, los expertos no saben cómo lo hacen exactamente.

El caso fue resuelto por un equipo internacional encabezado por Edward H. Los investigadores utilizaron la tecnología Cryo-EM y un poderoso modelado por computadora para revelar lo que ningún microscopio óptico convencional puede ver: la estructura inusual de estas hélices al nivel de los átomos individuales.

«Si bien han existido modelos durante 50 años sobre cómo estos filamentos forman formas enrolladas tan regulares, ahora hemos determinado la estructura de estos filamentos en detalle atómico», dijo Eagleman, 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».

Edward H. Eagleman, PhD, de la Facultad de Medicina de la Universidad de Virginia, y sus colaboradores han utilizado microscopía crioelectrónica para revelar cómo se mueven las bacterias, poniendo fin a un misterio de más de 50 años. El trabajo fotográfico anterior de Eagleman lo ha llevado a unirse a la prestigiosa Academia Nacional de Ciencias, uno de los más altos honores que puede recibir un científico. Crédito: Dan Addison | Universidad de Comunicaciones de Virginia

Diagramas de ‘super-perfiles’ de bacterias

Varias bacterias contienen uno o más apéndices conocidos como flagelos, o en plural, flagelos. Un flagelo consta de miles de subunidades, todas idénticas. Podrías imaginar que esa cola sería recta, o al menos algo flexible, pero evitaría que las bacterias se movieran. Esto se debe al hecho de que tales formas no pueden generar impulso. Se requiere un ventilador giratorio similar a un interruptor para mover las bacterias hacia adelante. Los científicos llaman al desarrollo de esta forma «supertorsión» y ahora saben cómo lo hacen las bacterias después de más de 50 años de investigación.

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

Se sabe que el abanico de las bacterias es bastante diferente de los abanicos similares utilizados por los organismos cardíacos unicelulares llamados arqueas. Las arqueas se encuentran en algunos de los ambientes más extremos de la tierra, como en estanques casi hirvientes.[{» 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.