Bilim İnsanları, Uzun Yıllardan Sonra Bakterilerin Gerçekte Nasıl Hareket Ettiğini Anladı

Araştırmacılar, yüksek teknolojili bir mikroskopla hızlı donmuş proteinlere bakarak, bakterilerin ve onların eski düşmanları olan arkelerin gerçekte nasıl hareket ettiğine dair 50 yıllık bir gizemi çözdüler.

Flagellum adı verilen küçük bir kıvrımlı "kuyruk" kullandıklarını uzun zamandır biliyorduk, ancak lifli uzantılarının onları ileri itmek için kıvrılmış şeklini nasıl oluşturduğuna dair ayrıntılardan şimdiye kadar emin değildik.

Hayvan hücrelerinde, flagella, daha aşina olduğumuz kuyruklar gibi çalışır. Ancak bakterilere ait hücreler ve yaşamın üçüncü alanı olan tek hücreli arkeler, basit bir yan hareketle itme üretemeyen kamçıya sahiptir.

Bunun yerine, bu küçük bobinler, bükülmüş cılız bir pervane gibi döner. Bobinleri, mikropların dönüşleriyle farklı dalga formları oluşturmasına izin vererek bir dereceye kadar esneyebilir ve büzülebilir. Döndürmeler de yön değiştirebilir.

Hem bakteri hem de arke flagella, flagellin proteininin aynı tekrarlayan alt birimlerinden oluşur. Bununla birlikte, arke kuyruğunda bulunan flagellin tipi, pili adı verilen bakterilerde bulunan başka bir hücresel çıkıntı tipine daha çok benzer.

 

Fotoğraf: Bakteri ve arkelerde flagella yapısal farklılıkları. (Kreutzberger ve diğerleri, Cell, 2022)

Virginia Üniversitesi biyofizikçisi Mark Kreutzberger ve meslektaşları, çubuk şeklindeki bakteriler Escherichia coli ve arke Saccharolobus islandicus'ta kamçılı filamentlerin moleküler yapısını atomik düzeyde incelemek için kriyo-elektron tomografisini kullandılar.

Bakterilerde protein filamentlerinin 11 farklı durumda ve arkelerde 10 farklı durumda bulunabileceğini gördüler. Protein yapısındaki farklılıklara rağmen, yapının bir bütün olarak her iki mikropta da kıvrılmış şekline dönmesine neden olan bu durumların bir karışımına sahip olmasıdır.

Ortaya çıkan süper-sarmal yapı o kadar kararlıdır ki, bükülürken, yani kamçı dönüş yönünü değiştirene kadar kıvrılmış şeklini koruyarak burulma gerilimlerine dayanabilir.

E. Coli'de düz yüzme, saat yönünün tersine dönüşü içerir. Ancak bakteri kuyruğunun dönüş yönünü değiştirdiğinde, kamçıya uygulanan kuvvetler yapısını değiştirir, bir veya daha fazla filamentlerini sıkı demetlerinden dışarı atar ve süper sarmalları yarı sarmal veya kıvrımlı bir şekle sokar.

Fotoğraf: Yuvarlanan (kıvırcık) kamçı modu (mavi ile gösterilir) ve düz yüzen (normal) kamçı modu (mor ile gösterilir). (Kreutzberger ve diğerleri, Cell, 2022)

Bu yön kaynaklı değişiklikler arkelerde görülmedi, ancak çevre koşullarını tuz veya asit ekleyerek değiştirmek kamçılarının yapısını değiştirdi.

Yapılarındaki farklılıklara ve bağımsız olarak evrimleşmelerine rağmen, doğa hem bakterileri hem de arkelerin kamçılarını esasen aynı biçim ve işleve sahip olacak şekilde şekillendirmiştir. Bu yakınsak evrimin güzel bir örneğidir.

Bu araştırma Cell'de yayınlandı.