I ricercatori della University of Virginia School of Medicine e i loro collaboratori hanno risolto un mistero vecchio di decenni su come E. coli e altri batteri sono in grado di muoversi.

I batteri si spingono in avanti avvolgendo lunghe appendici filiformi in forme a cavatappi che fungono da eliche improvvisate. Ma come esattamente lo fanno ha sconcertato gli scienziati, perché le "eliche" sono fatte di una singola proteina.

Un team internazionale guidato da Edward H. Egelman, Ph.D. di UVA, leader nel campo della microscopia crioelettronica ad alta tecnologia (crio-EM), ha risolto il caso. I ricercatori hanno utilizzato la crio-EM e la modellazione computerizzata avanzata per rivelare ciò che nessun microscopio ottico tradizionale potrebbe vedere:la strana struttura di queste eliche a livello di singoli atomi.

"Sebbene esistano modelli per 50 anni su come questi filamenti potrebbero formare forme a spirale così regolari, ora abbiamo determinato la struttura di questi filamenti in dettaglio atomico", ha affermato Egelman, del Dipartimento di Biochimica e Genetica Molecolare dell'UVA. "Possiamo dimostrare che questi modelli erano sbagliati e la nostra nuova comprensione aiuterà a spianare la strada a tecnologie che potrebbero essere basate su tali eliche in miniatura".

Progetti per i "superbobine" dei batteri

Diversi batteri hanno una o più appendici conosciute come flagello o, al plurale, flagelli. Un flagello è composto da migliaia di subunità, ma tutte queste subunità sono esattamente le stesse. Potresti pensare che una coda del genere sarebbe dritta, o nella migliore delle ipotesi un po' flessibile, ma ciò lascerebbe i batteri incapaci di muoversi.

Questo perché tali forme non possono generare spinta. Ci vuole un'elica rotante simile a un cavatappi per spingere un batterio in avanti. Gli scienziati chiamano la formazione di questa forma "superavvolgimento" e ora, dopo più di 50 anni, capiscono come lo fanno i batteri.

Usando la crio-EM, Egelman e il suo team hanno scoperto che la proteina che compone il flagello può esistere in 11 stati diversi. È la precisa miscela di questi stati che provoca la formazione della forma a cavatappi.

È noto che l'elica nei batteri è abbastanza diversa da eliche simili utilizzate da sostanziosi organismi unicellulari chiamati archaea. Gli Archaea si trovano in alcuni degli ambienti più estremi della Terra, come nelle pozze di acido quasi bollenti, sul fondo dell'oceano e nei depositi di petrolio in profondità nel terreno.

Egelman e colleghi hanno utilizzato la crio-EM per esaminare i flagelli di una forma di archaea, Saccharolobus islandicus, e hanno scoperto che la proteina che forma il suo flagello esiste in 10 stati diversi. Sebbene i dettagli fossero abbastanza diversi da quelli che i ricercatori hanno visto nei batteri, il risultato è stato lo stesso, con i filamenti che formavano normali cavatappi.

Concludono che questo è un esempio di "evoluzione convergente", quando la natura arriva a soluzioni simili con mezzi molto diversi. Ciò dimostra che anche se i batteri e le eliche degli archei sono simili per forma e funzione, gli organismi hanno sviluppato questi tratti in modo indipendente.

"Come con uccelli, pipistrelli e api, che hanno tutti ali evolute in modo indipendente per volare, l'evoluzione di batteri e archaea è convergente su una soluzione simile per il nuoto in entrambi", ha detto Egelman, il cui precedente lavoro di imaging lo ha visto inserito nella National Academy delle scienze, uno dei più alti riconoscimenti che uno scienziato possa ricevere. "Dal momento che queste strutture biologiche sono emerse sulla Terra miliardi di anni fa, i 50 anni che ci sono voluti per capirle potrebbero non sembrare così lunghi".

La ricerca è stata pubblicata in Cell . + Esplora ulteriormente

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