El flagelo a menudo se cita como un ejemplo de ingenio de diseño natural: es una potente nanomáquina que permite a las bacterias nadar sin esfuerzo en busca de alimento. Sin embargo, a pesar de ser un objeto de estudio popular durante el último medio siglo, el flagelo exactola mecánica sigue siendo enigmática.
Los investigadores de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa OIST ahora muestran cómo las bacterias transmiten el movimiento desde un motor interno a una cola externa a través de una articulación flexible en el flagelo conocido como el gancho. Este hallazgo, publicado en Nature Structural &La biología molecular podría ayudar en la lucha contra las infecciones bacterianas mortales. Al comprender mejor cómo se mueven las bacterias, los investigadores podrían mejorar las estrategias de prevención de enfermedades.
El equipo describe cómo el gancho flagelar actúa como una articulación dinámica, transmitiendo torque desde el interior de la célula para rotar la cola externa, permitiendo que las bacterias se muevan. Mediante microscopía electrónica criogénica o crio-EM, mostraron cómo el gancho puedeser flexible y rígido al mismo tiempo, a pesar de comprender un solo tipo de proteína. Las diferentes subunidades de esta proteína pueden adoptar al menos once conformaciones, lo que permite cambios dinámicos en la estructura del anzuelo.
"Si bien se cree que el filamento externo existe en dos estados, el gancho parece no tener una configuración establecida", dice el profesor Matthias Wolf, autor principal del estudio. "Esto contradice el supuesto" modelo de dos estados "pensado para explicar elfunción del gancho, y explica cómo es posible una estructura tan dinámica. Este intrincado sistema es un testimonio de la capacidad de la evolución para optimizar durante millones de años ".
"El flagelo es una hazaña asombrosa. Su rotor, estator, eje impulsor, buje, cojinetes y cola en forma de hélice se sincronizan para empujar las bacterias hacia adelante a través de fluidos viscosos a varias longitudes de cuerpo por segundo", dice el Dr. Satoshi Shibata, unautor principal del artículo: "En muchos sentidos, la forma helicoidal del gancho supera los intentos de la ingeniería humana de crear juntas flexibles".
"Mientras construía el modelo del anzuelo, me sorprendió su excelente montaje", agrega el Dr. Hideyuki Matsunami, otro autor principal.
Alta tecnología en baja vida
La Unidad de Microscopía Crioelectrónica Molecular de Wolf se enfoca en problemas estructurales, reconstruyendo imágenes tridimensionales elaboradas a partir de tomas bidimensionales obtenidas usando cryo-EM. Anteriormente, la Unidad ha reconstruido el núcleo del virus Ébola y el Valle del Seneca que combate el cáncervirus.
En este estudio, el equipo de Wolf aplicó cryo-EM al gancho flagelar bacteriano. Con el apoyo del profesor emérito Shin-Ichi Aizawa de la Universidad de la Prefectura de Hiroshima, el equipo pudo primero purificar la estructura del gancho. Esta muestra sin adulterar fue luegoenfriado a temperaturas criogénicas y congelado antes de ser fotografiado. Finalmente, las imágenes resultantes se ensamblaron para revelar la estructura del gancho con la ayuda del clúster informático de alto rendimiento de OIST.
Si bien cryo-EM una vez solo generó imágenes estáticas, las evoluciones recientes incluyen la combinación del método con la supercomputación y el uso de algoritmos de clasificación para comprender completamente las imágenes 2D y los objetos 3D que representan. Esto proporciona una visión más rica a una resolución casi atómica, y permite al equipoconsiderar la relación entre estructura y función.
El gancho flagelar es una articulación de aproximadamente 130 subunidades, cada una de las cuales comprende un solo tipo de proteína. Cada subunidad está formada por tres dominios que actúan como cuerpos rígidos, conectados por dos bisagras flexibles. Curiosamente, los investigadores descubrieron que estas subunidades pueden adoptaronce estados distintos a pesar de su composición química idéntica. Esta variedad permite que el anzuelo adopte muchas conformaciones, y puede cambiar entre ellas mientras se dobla.
Estos cambios a lo largo de la forma helicoidal del gancho permiten que el torque viaje desde el motor giratorio a través de su hélice, eventualmente girando el filamento externo. La combinación de cuerpos rígidos conectados por bisagras, mientras tanto, explica cómo el gancho puede ser flexible y rígidoAl mismo tiempo, el equipo también confirmó que este motivo particular se conserva en varias especies comunes de bacterias, lo que sugiere que la arquitectura de anzuelo observada es una característica común.
Saber cómo funciona el flagelo es el primer paso para explotar su función. El organismo modelo utilizado en este estudio, Salmonella enterica, es un patógeno humano y una de las principales causas de muerte en el mundo en desarrollo. La movilidad es crucial para permitir que las bacterias causenenfermedad - y el gancho es esencial para la motilidad. La interrupción de la motilidad, tal vez a través del gancho, podría ser una valiosa estrategia de prevención de enfermedades.
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Materiales proporcionado por Universidad de Posgrado del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa OIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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