Жгутиковый двигатель состоит из ротора и дюжины блоков статора и приводится в движение энергией, создаваемой ионами, когда они мигрируют через клеточную мембрану. В то время как жгутиковый двигатель некоторых пресноводных и кишечных бактерий, таких как сальмонелла, приводится в действие протонами (ионы водорода, H +), который состоит из четырех копий белка MotA и двух копий MotB, двигателей других бактерий, живущих в соленой воде. среда питается ионами натрия (Na +).В случае Bacillus subtilis (B. subtilis), бактерии, обычно встречающейся в почве, жгутиковый двигатель имеет два различных типа статорных блоков: MotAB H + -типа и MotPS Na + -типа. Хотя компоненты идентифицированы, механизм, приводящий в действие жгутиковый мотор, остается неизвестным.
Эта загадка еще больше усугубляется тем фактом, что жгутики плохо видны под световым микроскопом. Эти проблемы заставили команду исследователей из Университета Осаки начать поиски неизвестного механизма.
Они сообщили о своих выводах в Science Advances.«Точный анализ структурной динамики жгутикового мотора с использованием высокоскоростной атомно-силовой микроскопии (HS-AFM) в сочетании с мутационным анализом позволил понять механизм генерации крутящего момента жгутикового мотора», — говорит первый автор исследования Наоя Терахара. «Мы в режиме реального времени наблюдали структурные изменения, вызванные Na +, в домене MotS, который связывает пептидогликан, полимер, состоящий из сахаров и аминокислот в бактериях».Чтобы понять, как белковый комплекс MotPS реагирует на изменения в окружающей среде, исследователи сначала охарактеризовали зависимость крутящего момента от скорости двигателя B. subtilis в широком диапазоне концентраций Na +. Максимальная скорость двигателя была уменьшена примерно с 200 до 80 Гц, когда внешняя концентрация Na + была увеличена с 0 до 200 мМ, хотя крутящий момент при остановке не изменился вообще.
Примечательно, что когда домен MotB, который связывается с пептидогликаном, был заменен доменом MotS, химерный двигатель сохранял ту же кривую крутящего момента-скорости, что и двигатель MotAB, в присутствии ионов Na +, но не в отсутствие. Это означает, что Na + является основным драйвером сборки и активации жгутикового двигателя, независимо от его состава.
«В отсутствие ионов натрия MotPS существует в неактивной форме в цитоплазматической мембране, потому что MotSc, С-концевой периплазматический домен MotS, принимает развернутую конформацию. Когда концентрация ионов натрия увеличивается, связывание ионов с MotSc индуцирует сворачивание домена PGB и способствует его димеризации очень кооперативным образом », — говорит автор-корреспондент Тору Минамино.
С помощью этого исследования команда также продемонстрировала возможность использования HS-AFM в сочетании с мутационным анализом для изучения сложных бактериальных структур, которые могут дать ценную информацию для промышленного производства коммерчески жизнеспособных продуктов, таких как протеазы и терапевтические препараты, как в случае B. subtilis.