Новое исследование показывает, что жгутики бактерий – молекулярный поворотный двигатель, ставший символом движения разумного замысла – 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»1 и стали главной темой комментариев, сделанных в этом же журнале Майклом Д. Мэнсоном из Техасского сельскохозяйственного и машиностроительного университета. 

Проведенные ранее исследования показали, что части 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»2, 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».