Хотя подвижность жгутиков бактерий тесно связана с вирулентностью, также известно, что она играет важную роль в обеспечении функционирования нескольких симбиотических систем между животными и бактериями. Например, кальмары бобтейл не могут излучать свет сами по себе, поэтому они включают в себя Aliivibrio fischeri, вид биолюминесцентных бактерий, чтобы рассеять свой внешний вид при лунном свете и избежать попадания в ловушку хищников. Подвижность биолюминесцентных бактерий важна для работы этих симбиотических отношений.
Другой пример можно увидеть с бобовыми клопами, признанными сельскохозяйственными вредителями, которые, как известно, приобретают устойчивость к инсектицидам за счет включения бактерий рода Burkholderia. Подвижность жгутиков бактерий также играет важную роль в работе этой формы симбиоза.
Между кишечником бобового клопа и его симбиотическим органом находится чрезвычайно узкий суженный проход, заполненный богатой полисахаридами слизью. Доктор Кикучи и его команда ранее сообщали, что только симбионты Burkholderia с подвижностью могут проходить через этот ограниченный проход, в то время как бактерии мутантного штамма, лишенные подвижности, не могут. Интересно, что предыдущие исследования показали, что подвижные несимбионты, такие как E. coli, не могут пройти через этот ограниченный проход и, следовательно, не могут достичь симбиотического органа.
Подобный суженный проход существует и у кальмаров бобтейлов, и известно, что только биолюминесцентные бактерии могут избирательно проходить через него. Однако вопрос "Почему могут пройти только симбионты?" остается без ответа. Начав это исследование, наша команда выдвинула гипотезу, что «симбиотические симбионты Burkholderia обладают уникальным механизмом подвижности, который позволяет им проходить через ограниченную область».Визуализация филаментов жгутиков
Опосредованная жгутиками подвижность у симбионта Burkholderia должна быть непосредственно зафиксирована, чтобы проверить нашу гипотезу. Однако филамент жгутика имеет диаметр только приблизительно 20 нм (100 000-ю от 2 мм) и может быть захвачен только при наблюдении с помощью электронной микроскопии. Обнаружив, что филаменты жгутиков можно визуализировать под флуоресцентным микроскопом, когда тело клетки обрабатывают флуоресцентными красителями, мы решили эту проблему. Кроме того, с помощью камеры EMCCD, считающейся наиболее чувствительной камерой в мире, мы смогли зафиксировать движение жгутиковой нити накала со скоростью 400 кадров в секунду.
Из этого наблюдения мы обнаружили, что симбионт Burkholderia может плавать со скоростью 25 м / с (примерно в десять раз больше длины своего тела), вращая нить жгутика со скоростью 150 оборотов в секунду.Открытие третьей формы подвижности, опосредованной жгутиками.
У симбионта Burkholderia в нормальных жидких средах наблюдались только известные формы подвижности, проявляемые другими бактериями, такими как E. coli. Доктор Йошиаки Киносита, член исследовательской группы, с помощью метилцеллюлозы создал среду, имитирующую липкое внутреннее состояние суженного прохода. В то время как формы с нормальной подвижностью наблюдались, как и в средах с низкой вязкостью, он также смог успешно наблюдать плавание, оборачивающее жгутиковые нити, часто в этих условиях.
Это движение обертывания жгутиков не соответствует никаким известным формам опосредованной жгутиками подвижности и может быть описано как третья форма опосредованной жгутиками подвижности. Эффективность подвижности была примерно вдвое ниже и, таким образом, была ниже, чем у других форм подвижности, когда симбионт Burkholderia перемещался через вязкую жидкость в этой подвижной форме, как сверло.Подвижность, опосредованная жгутиками, похожая на скольжениеПочему симбионт Burkholderia демонстрирует уникальную подвижную форму даже при низкой эффективности?
Когда мы поместили кишечную палочку, несимбионт, в такое же состояние, мы смогли получить интересные результаты. Со временем кишечная палочка привязалась к поверхности стекла и не могла двигаться. Напротив, клетки Burkholderia не захватывались стеклом и не становились неспособными двигаться. При более близком наблюдении симбионты Burkholderia, передвигающиеся с нормальной подвижностью, были пойманы, но затем они обернули свои жгутики и освободились, получив возможность свободно перемещаться по поверхности стекла.
Кроме того, с помощью флуоресцентного микроскопа полного внутреннего отражения, который позволяет наблюдать с высоким разрешением в непосредственной близости от поверхности стекла, мы смогли показать, что существует контакт между жгутиковой нитью и поверхностью стекла, когда показана подвижность, подобная скольжению. Учитывая, что поверхность стекла неровная, можно предположить, что жгутиковая нить, обернутая вокруг тела клетки, идеально входит в канавки на поверхности, вращается и генерирует толчок, обеспечивая эффективную подвижность на твердых поверхностях. Таким образом, эта третья форма подвижности может быть описана как важная для эффективного перемещения по поверхностям внеклеточного матрикса.Визуализация движения обертывания жгутика у симбиотических бактерий кальмаров
Является ли движение обертывания жгутика уникальным для симбионтов-симбионтов Burkholderia? Чтобы ответить на этот вопрос, мы рассмотрели A. fischeri, симбионта кальмаров бобтейл. Как и у бобовых клопов, у кальмаров бобтейлов есть механизм избирательного включения симбиотических бактерий, и известно, что только подвижные A. fischeri способны достигать симбиотических органов.
Когда A. fischeri обрабатывали флуоресцентными красителями и наблюдали так же, как и симбионта Burkholderia, мы обнаружили, что A. fischeri также плавает, оборачивая свои жгутиковые нити вокруг своего тела. Это подразумевает возможность того, что недавно открытая третья форма опосредованной жгутиками подвижности была принята у многих различных видов симбиотических бактерий.
Это исследование показало, что переход от нормальных форм подвижности к подвижности филаментов жгутика достигается изменением направления вращения жгутика с против часовой стрелки на по часовой стрелке. Однако это изменение направления вращения можно также увидеть у E. coli и других видов бактерий, у которых нет оболочки жгутика. Следовательно, переход к третьей форме моторики нельзя объяснить только изменением направления вращения. На следующем этапе мы рассмотрим эту проблему с помощью структурного анализа белков, необходимых для запуска третьей формы подвижности жгутиков и исчерпывающего анализа генов.
Кроме того, мы проанализируем опосредованную жгутиками подвижность внутри тела хозяина и посмотрим, происходит ли переключение формы плавания / скольжения, особенно в кишечнике бобовых клопов. Это исследование покажет, какая форма подвижности — нормальная или форма обертывания жгутика — более эффективна при перемещении внутри суженного прохода.
Ожидается, что после тщательного выявления взаимосвязи между симбиозом и разнообразными формами подвижности, проявляемыми бактериями на генном уровне на основе наших исследований, последует разработка новых инсектицидов, предотвращающих инфицирование и колонизацию симбионтов.