Принято считать, что бактерии ‒ относительно примитивные создания. Но при ближайшем рассмотрении оказывается, что и эти одноклеточные существа устроены чрезвычайно сложно. Например, для перемещения в жидкой среде многие микробы используют жгутики, которые приводятся в действие при помощи крошечных молекулярных "моторов" размером в несколько десятков нанометров. Команда из Имперского колледжа Лондона впервые использовала трёхмерные модели, чтобы разобраться, как микроорганизмы развивали этот механизм и оттачивали технику плавания.
Может показаться удивительным, но двигательная система бактерий, состоящая из белковых молекул, делится на те же основные части, что и привычные для нас технические устройства. В предыдущих работах специалист по молекулярным механизмам Морган Биби (Morgan Beeby) и его коллеги выяснили, что "привод" жгутика имеет неподвижную статорную часть и вращающийся ротор. Кроме того, учёные обнаружили, что бактерии с более сложной структурой статора плавают быстрее. При этом генетический анализ показал, что разные "модели двигателя" связаны между собой эволюционно.
В новой работе учёные смогли проследить развитие бактериальных "моторов", объединив результаты исследования ДНК с трёхмерным моделированием. Это позволило им разобраться, как относительно простые системы со временем становились всё более сложными и в буквальном смысле набирали обороты.
Команда выявила чёткую разницу между наиболее примитивными и более сложными видами микробов. Если у первых статорная часть в среднем состоит из двенадцати элементов, то более развитые бактерии используют уже до семнадцати "деталей". Изучение генома наиболее древних микроорганизмов показало, что их статор также включал двенадцать частей.
"Когда мы наблюдаем эволюцию у животных или растений, мы видим, к примеру, как шея жирафа на протяжении времени медленно удлиняется, чтобы дотянуться до ранее недоступной пищи, – объясняет Биби в пресс-релизе. – Однако эволюция в молекулярном масштабе намного более радикальна. Это похоже на жирафа, дети которого родились с шеей на метр длиннее, чем у него".
Для создания трёхмерных изображений крошечных двигателей команда использовала метод криоэлектронной микроскопии, за разработку которого в 2017 году Жак Дубоше, Иоахим Франк и Ричард Хендерсон были удостоены Нобелевской премии по химии. Он позволяет замораживать молекулярные структуры внутри живых клеток, после чего их можно детально рассмотреть с разных сторон.
Затем исследователи создали "семейное древо" бактерий с указанием характеристик двигательной системы и плавательных способностей каждого вида. Тут-то и выяснилось, что в "моторе" организмов с семнадцатью и более деталями имеются дополнительные структуры, которых ранее никто не замечал. Эти элементы формируют усиленный каркас, способный поддерживать больше деталей статора, которые в совокупности сильнее вращают ротор и связанный с ним жгутик.
Интересно, что очень похожие структуры независимо развивались у разных групп микроорганизмов, а для их создания использовались разные белки. Это распространённое в природе явление называется конвергентной эволюцией, а в качестве примеров такого параллельного развития сходных признаков можно вспомнить появление кофеина в растениях и развитие нервной системы у гребневиков.
Биби считает, что с эволюционной точки зрения переход к более мощным молекулярным двигателям был так же неизбежен, как появление глаз и крыльев, которые много раз развивались у совершенно разных организмов. И дополнительные детали, усиливающие конструкцию, стали тем приспособлением, которое позволило бактериям улучшить свои плавательные способности.
С подробностями устройства двигательных систем бактерий на молекулярном уровне, а также с их техническими характеристиками можно ознакомиться, прочитав статью, опубликованную авторами исследования в издании Scientific Reports.
