Virginia Üniversitesi Tıp Fakültesi araştırmacıları ve işbirlikçileri, E. coli ve diğer bakterilerin nasıl hareket edebildiğine dair onlarca yıllık bir gizemi çözdüler.

Bakteriler, iplik benzeri uzantıları pervaneler gibi davranan tirbuşon şekillerine sararak kendilerini ileri doğru iterler. Ancak bunu tam olarak nasıl yaptıkları bilim adamlarını şaşırttı, çünkü “pervaneler” tek bir proteinden oluşuyor.

Yüksek teknolojili kriyo-elektron mikroskobu (kriyo-EM) alanında lider olan UVA’dan Edward H. Egelman, PhD liderliğindeki uluslararası bir ekip, davayı kırdı. Araştırmacılar, geleneksel ışık mikroskobunun göremediği şeyi ortaya çıkarmak istiyor. Bunun için Kriyo-EM ve gelişmiş bilgisayar modellemesini kullandılar. Bu pervanelerin bireysel atomlar seviyesindeki garip yapısı mevcuttur.

“Bu filamentlerin bu kadar düzenli sarmal şekilleri nasıl oluşturabileceğine dair modeller 50 yıldır var olsa da, şimdi bu filamentlerin yapısını atomik detaylarla belirledik” diyor UVA’nın Biyokimya ve Moleküler Genetik Bölümü’nden Egelman. “Bu modellerin yanlış olduğunu gösterebiliriz. Yeni anlayışımız ile bu tür minyatür pervanelere dayanan teknolojilerin önünü açmaya yardımcı olacaktır.”

Bakterilerin ‘Süper Bobinleri’ için Planlar

Farklı bakteriler, flagellum veya çoğul olarak flagella olarak bilinen bir veya daha fazla uzantıya sahiptir. Bir flagellum binlerce alt birimden oluşur, ancak tüm bu alt birimler tamamen aynıdır. Böyle bir kuyruğun düz veya en iyi ihtimalle biraz esnek olacağını düşünebilirsiniz. Ancak bu bakterileri hareket edemez hale getirir. Bunun nedeni, bu tür şekillerin itme gücü üretememesidir. Bir bakteriyi ileri itmek için dönen, tirbuşon benzeri bir pervane gerekir. Bilim adamları bu şeklin oluşumunu “süper sarmal” olarak adlandırıyorlar. Şimdi, 50 yıldan fazla bir süre sonra, bakterilerin bunu nasıl yaptığını anlıyorlar.

Kriyo-EM’yi kullanan Egelman ve ekibi, flagellumu oluşturan proteinin 11 farklı durumda bulunabileceğini buldu. Tirbuşon şeklinin oluşmasına neden olan bu durumların hassas karışımıdır.

Bakterilerdeki pervanenin, arkea adı verilen doyurucu tek hücreli organizmalar tarafından kullanılan benzer pervanelerden oldukça farklı olduğu bilinmektedir. Archea, Dünya’daki en aşırı ortamlardan bazılarında bulunur.

Egelman ve meslektaşları, bir arkea formu olan Saccharolobus islandicus’un flagellasını incelediler. Bunun için kriyo-EM’yi kullandılar ve flagellumunu oluşturan proteinin 10 farklı eyalette bulunduğunu buldular. Detaylar araştırmacıların bakterilerde gördüklerinden oldukça farklı olsa da, sonuç aynıydı, filamentler düzenli tirbuşonlar oluşturuyordu. Bunun, doğanın çok farklı yollarla benzer çözümlere ulaştığı “yakınsak evrim” in bir örneği olduğu sonucuna varıyorlar. Bu, bakterilerin ve arkelerin pervanelerinin form ve işlev bakımından benzer olmasına rağmen, organizmaların bu özellikleri bağımsız olarak evrimleştirdiğini göstermektedir.

Önceki görüntüleme çalışmaları onu Ulusal Bilimler Akademisi’ne soktuğunu gördü. “Bu biyolojik yapılar milyarlarca yıl önce Dünya’da ortaya çıkmıştır. Onları anlamak için geçen 50 yıl o kadar uzun görünmeyebilir.”

Yayınlanan Bulgular

Araştırmacılar bulgularını bilimsel dergi Cell’de yayınladılar. Ekip, 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 Calladine, Mart Krupovic, Birgit E. Scharf ve Egelman’dan oluşuyordu.

Çalışma Ulusal Sağlık Enstitüleri tarafından desteklendi. GM122150 ve T32 GM080186 hibe edildi; ABD Donanması Çalışma Birimi Programı 6000.RAD1. DA3. A0308; ve Robert R. Wagner Bursu tarafından.