Những bức ảnh chụp cực chi tiết cho thấy chi tiết tuyệt vời về cách roi vi khuẩn quay
Một loạt hình ảnh cực kỳ chi tiết về các cấu trúc được tìm thấy trong roi xoắn cung cấp năng lượng cho chuyển động của vi khuẩn đã tiết lộ những hiểu biết mới về cách vi khuẩn đến được nơi chúng muốn.
Sử dụng kính hiển vi điện tử lạnh (cryo-EM), hai nhóm khác nhau đã khám phá ra cấu trúc phân tử và tương tác giữa các thành phần chính của động cơ - vi khuẩn cung cấp năng lượng cho sự quay hai chiều của roi.
'Toàn bộ khái niệm về hướng hóa là khả năng di chuyển khỏi nơi nguy hiểm và hướng tới nguồn thức ăn, và nhiều loại vi khuẩn có thể làm được điều này thông qua roi… bằng cách thay đổi hướng quay của roi hoặc dừng hoàn toàn,' Steven Johnson , nhà khoa học tại Viện Ung thư Quốc gia (NCI) tại Hoa Kỳ và là tác giả đầu tiên của một trong những nghiên cứu, giải thích.
Cả nhóm của Johnson, nhóm đã công bố vào tháng 3 , và nhóm do cộng sự nghiên cứu cấp cao Prashant Singh tại Đại học Vanderbilt ở Hoa Kỳ, nhóm đã công bố vào tháng 4 , đều tập trung vào roi của vi khuẩn 'chủ lực' Salmonella , loại vi khuẩn cũng có nhiều điểm tương đồng với Escherichia coli .
'[ Salmonella ] có một hệ thống rất đơn giản là quay ngược chiều kim đồng hồ để di chuyển theo đường thẳng, quay theo chiều kim đồng hồ để bắt đầu lộn nhào tại chỗ và bằng cách kết hợp hai chế độ hoạt động khác nhau đó, bạn có thể điều chỉnh hướng di chuyển của vi khuẩn,' Johnson giải thích.
Động cơ trong roi được cấu tạo từ nhiều vòng, một trong số đó là vòng tế bào chất (vòng chữ C) hay 'công tắc', có chức năng chuyển đổi hướng quay của roi giữa ngược chiều kim đồng hồ và theo chiều kim đồng hồ.
Cả hai nhóm nghiên cứu đều muốn khám phá cơ chế phân tử chính xác đằng sau sự đảo ngược vòng quay của roi.
'Người ta đã biết trong nhiều thập kỷ rằng hướng quay đã thay đổi và ... rằng chính cấu trúc vòng [C] khổng lồ này trong tế bào chất của tế bào chịu trách nhiệm cho sự thay đổi đó và ... rằng có rất nhiều thụ thể truyền tín hiệu phản ứng với các tín hiệu bên ngoài sau đó báo hiệu cho một phân tử cụ thể này kết hợp với động cơ vòng C và thay đổi hướng quay xảy ra,' Johnson nói. 'Chúng tôi cũng biết rằng sự quay này một phần được điều khiển bởi các stato bên ngoài nhỏ ... chúng tôi đã biết cách đây vài năm rằng điều đó có thể là do cơ chế mà bản thân các stato có các động cơ quay nhỏ xíu .... Điều này dẫn đến giả thuyết rằng các động cơ quay nhỏ ở bên ngoài đang điều khiển bánh răng khổng lồ này ở bên trong.'
Tuy nhiên, Johnson cho biết họ không biết cách thay đổi vòng chữ C và thay đổi hướng quay của nó so với các động cơ bên ngoài nhỏ này, vì chúng quay theo một hướng.
Thay đổi hướng
Nhóm của Johnson đã làm việc trên toàn bộ cụm lắp ráp bản địa được tinh chế từ vi khuẩn, nghĩa là họ có thể thiết kế một cấu trúc kết hợp một phần của 'bánh răng' tế bào chất vào stato để cho phép họ có được góc nhìn có độ phân giải cao về tương tác cụ thể đó. Họ đã xem xét cả dạng quay theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ và có thể xác định một sự thay đổi cấu trúc lớn trong vòng chữ C, cho phép chuyển đổi hướng. 1
'Về cơ bản, điều này có nghĩa là những động cơ quay nhỏ này di chuyển từ bên ngoài [của bánh răng lớn] vào bên trong, do đó hướng mà chúng điều khiển nó bị đảo ngược vì về cơ bản có sự hoán đổi 180° về cấu hình,' Susan Lea , giám đốc Trung tâm Sinh học Cấu trúc tại NCI, người đứng đầu nhóm nghiên cứu, giải thích. 'Chính sự thay đổi to lớn này thực sự mở rộng hiểu biết của chúng ta về mức độ lớn mà protein có thể tạo ra sự thay đổi cấu hình,' bà nói thêm.
Nhóm còn lại, do Tina Iverson , Giáo sư Louise B McGavock và là nhà dược lý học tại Trường Y khoa Vanderbilt, Hoa Kỳ, dẫn đầu, đã báo cáo các cấu trúc cryoEM của ba trạng thái chuyển đổi roi, trả lời các câu hỏi chính về cách động cơ truyền mô-men xoắn và hướng đến roi và quan sát thấy sự dịch chuyển 180° tương tự trong cấu hình.
Tuy nhiên, Iverson cho biết những câu hỏi mà họ đang cố gắng trả lời đã phát triển trong suốt quá trình nghiên cứu. 'Những câu hỏi đầu tiên mà chúng tôi có dường như rất tầm thường bây giờ - đó là động cơ này được cung cấp năng lượng bởi một gradient trên màng proton - một thông lượng proton. Đó là một dòng điện chạy xuống, xuyên qua màng và có thể làm rotor quay theo hướng này hoặc hướng khác. Trong trường hợp này, dòng điện chạy theo một hướng có thể làm động cơ quay theo cả hai hướng và vì vậy chúng tôi đã hỏi, làm thế nào để bạn có thứ gì đó có thể đảo ngược? Điều đó thực sự không được hiểu.'
'Những gì chúng ta thấy sau nghiên cứu này gần như là một lời giải thích tầm thường, đó là bạn có một động cơ khổng lồ và một bộ phận của động cơ phản ứng với dòng điện chỉ lật ngược lại để đảo ngược động cơ.'
Morgan Beeby , một nhà sinh học cấu trúc tại Imperial College London, Vương quốc Anh, hoan nghênh những phát hiện của hai nghiên cứu. 'Cả hai bài báo đều xác định kiến trúc phân tử thực tế của một bộ phận động cơ mà chúng ta gọi là rô-to – vòng tế bào chất… thành phần rô-to rất thú vị vì nó cũng có thể chuyển từ quay theo chiều kim đồng hồ sang ngược chiều kim đồng hồ và đó là cơ sở cho cách vi khuẩn di chuyển… Cái nhìn sâu sắc chính là một cơ sở phân tử rất rõ ràng về cách các vòng rô-to chuyển đổi giữa cấu hình theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ.'
'Nếu xét riêng lẻ thì kết quả này có thể không thú vị lắm, nhưng vì giờ chúng ta đã có cấu trúc của thành phần stato… nên chúng ta có thể bắt đầu nói điều gì đó khá thông minh về cách thức hoạt động thực sự của vật này.'
Beeby cho biết có thể hình dung rằng nghiên cứu này có thể được sử dụng làm cơ sở để phát triển một liệu pháp ngăn chặn khả năng định hướng của vi khuẩn. 'Bạn có thể tưởng tượng ra việc phát minh ra một phân tử nhỏ bằng cách nào đó có thể phá vỡ quá trình chuyển đổi vòng chữ C từ dạng thuận chiều kim đồng hồ sang dạng ngược chiều kim đồng hồ, và sau đó sẽ xóa bỏ khả năng bơi đến vị trí có lợi của tác nhân gây bệnh', ông nói.
Theo Cộng đồng Hóa học
Dịch, tổng hợp bởi Topfarm.vn và nguoilamvuonthongthai.com