Ilmuwan memecahkan misteri 50 tahun – bagaimana bakteri bergerak?

Bakteri bergerak maju dengan memutar embel-embel panjang seperti benang menjadi bentuk spiral yang bertindak sebagai kipas darurat.

Ilmuwan Universitas Virginia telah memecahkan misteri berusia puluhan tahun.

peneliti dari Universitas Virginia Fakultas Kedokteran dan rekan-rekan mereka telah memecahkan misteri lama tentang bagaimana E. coli dan bakteri lain bergerak.

Bakteri bergerak maju dengan memutar ujungnya yang panjang seperti benang menjadi bentuk spiral, yang bertindak sebagai kipas darurat. Namun, karena “penggemar” terdiri dari satu protein, para ahli bingung bagaimana tepatnya mereka melakukannya.

Kasus ini diselesaikan oleh tim internasional yang dipimpin oleh Edward H. Para peneliti menggunakan teknologi Cryo-EM dan pemodelan komputer yang kuat untuk mengungkapkan apa yang tidak dapat dilihat oleh mikroskop optik konvensional: struktur yang tidak biasa dari baling-baling ini pada tingkat atom individu.

“Sementara model telah ada selama 50 tahun untuk bagaimana filamen ini membentuk bentuk melingkar yang teratur, kami sekarang telah menentukan struktur filamen ini dalam detail atom,” kata Eagleman, dari Departemen Biokimia dan Genetika Molekuler UVA. “Kami dapat menunjukkan bahwa model ini salah, dan pemahaman baru kami akan membantu membuka jalan bagi teknologi yang dapat didasarkan pada baling-baling mini seperti itu.”

Edward H. Eagleman, PhD, dari Fakultas Kedokteran Universitas Virginia, dan kolaboratornya telah menggunakan mikroskop cryo-elektron untuk mengungkapkan bagaimana bakteri bergerak – mengakhiri misteri lebih dari 50 tahun. Karya fotografi Eagleman sebelumnya telah membuatnya bergabung dengan National Academy of Sciences yang bergengsi, salah satu penghargaan tertinggi yang dapat diterima seorang ilmuwan. Kredit: Dan Addison | Universitas Komunikasi Virginia

Diagram ‘profil super’ bakteri

Berbagai bakteri mengandung satu atau lebih pelengkap yang dikenal sebagai flagela, atau dalam bentuk jamak, flagela. Sebuah flagel terdiri dari ribuan subunit, yang semuanya identik. Anda mungkin membayangkan bahwa ekor seperti itu akan lurus, atau setidaknya agak terkulai, tetapi itu akan mencegah bakteri bergerak. Hal ini disebabkan oleh kenyataan bahwa bentuk-bentuk seperti itu tidak dapat menghasilkan momentum. Kipas yang berputar seperti sakelar diperlukan untuk menggerakkan bakteri ke depan. Para ilmuwan menyebut pengembangan bentuk ini sebagai “pemutaran super”, dan mereka sekarang tahu bagaimana bakteri melakukannya setelah lebih dari 50 tahun penelitian.

Eagleman dan rekan menemukan bahwa protein yang membentuk flagel dapat eksis di 11 negara bagian yang berbeda menggunakan cryo-EM. Bentuk kunci dibentuk oleh kombinasi yang tepat dari keadaan ini.

Kipas pada bakteri diketahui sangat berbeda dari kipas serupa yang digunakan oleh organisme jantung bersel tunggal yang disebut archaea. Archaea ditemukan di beberapa lingkungan paling ekstrem di bumi, seperti di kolam yang hampir mendidih.[{” attribute=””>acid, the very bottom of the ocean and in petroleum deposits deep in the ground.

Egelman and colleagues used cryo-EM to examine the flagella of one form of archaea, Saccharolobus islandicus, and found that the protein forming its flagellum exists in 10 different states. While the details were quite different than what the researchers saw in bacteria, the result was the same, with the filaments forming regular corkscrews. They conclude that this is an example of “convergent evolution” – when nature arrives at similar solutions via very different means. This shows that even though bacteria and archaea’s propellers are similar in form and function, the organisms evolved those traits independently.

“As with birds, bats, and bees, which have all independently evolved wings for flying, the evolution of bacteria and archaea has converged on a similar solution for swimming in both,” said Egelman, whose prior imaging work saw him inducted into the National Academy of Sciences, one of the highest honors a scientist can receive. “Since these biological structures emerged on Earth billions of years ago, the 50 years that it has taken to understand them may not seem that long.”

Reference: “Convergent evolution in the supercoiling of prokaryotic flagellar filaments” by Mark A.B. Kreutzberger, Ravi R. Sonani, Junfeng Liu, Sharanya Chatterjee, Fengbin Wang, Amanda L. Sebastian, Priyanka Biswas, Cheryl Ewing, Weili Zheng, Frédéric Poly, Gad Frankel, B.F. Luisi, Chris R. Calladine, Mart Krupovic, Birgit E. Scharf and Edward H. Egelman, 2 September 2022, Cell.
DOI: 10.1016/j.cell.2022.08.009

The study was funded by the National Institutes of Health, the U.S. Navy, and Robert R. Wagner.