Quando i patogeni invadono un ospite umano, hanno bisogno della massima capacità di muoversi attraverso il corpo mentre navigano in ambienti avversi e causano infezioni. La loro capacità di perforarsi attraverso un ambiente simile al gel è spesso resa possibile dalla rotazione di una macchina ondulata a forma di coda nota come flagello.

Il modo in cui i batteri si muovono, sopravvivono e causano infezioni nel corpo ha affascinato gli scienziati, ma i ruoli di alcuni attori chiave coinvolti nel meccanismo della motilità sono ancora poco conosciuti. Ora, per la prima volta, i ricercatori di Yale hanno visualizzato una struttura ad anello unica che stabilizza il motore del flagello e migliora il movimento batterico. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati in Proceedings of the National Academy of Sciences il 7 marzo.

Flagella spinge i batteri attraverso il corpo

"I flagelli dei batteri devono generare una coppia elevata per aiutarli a muoversi nel loro ambiente", afferma Jun Liu, Ph.D., professore presso il Dipartimento di Patogenesi microbica e Istituto di scienze microbiche e autore senior dello studio. "Abbiamo trovato una struttura che è un pezzo del puzzle, aiutandoci a capire perché alcuni batteri possono nuotare e diffondersi all'interno di diversi ambienti ospiti per causare infezioni".

Il flagello ha tre componenti:il motore, il gancio e il filamento. La rotazione del filamento consente ai batteri di muoversi nel loro ambiente. Il motore incorporato nella membrana cellulare batterica ruota, proprio come il motore di un'auto gira sotto il cofano del veicolo, per guidare il movimento del filamento all'esterno.

Questo motore contiene una grande struttura nota come C-ring, che richiede l'assistenza di strutture dinamiche più piccole note come statori per ruotare. Quando un batterio ha bisogno di muoversi, recluta statori nell'anello a C, dove subiscono un cambiamento conformazionale e si estendono. Quindi, la forza del flusso di ioni idrogeno attraverso i canali dello statore guida la rotazione dell'anello a C, che a sua volta fa ruotare il motore e il filamento.

"Prima non sapevamo cosa facessero esattamente gli statori per ruotare il motore", afferma Shuaiqi Guo, Ph.D., ricercatore associato e primo autore dello studio. Nel 2020, il team ha scoperto che gli statori non solo subiscono un cambiamento conformazionale ma ruotano anche, come gli ingranaggi che azionano la cinghia di un motore. Queste strutture snelle e flessibili devono ruotare molto velocemente e senza stabilizzazione questa rotazione rapida introdurrebbe instabilità all'intero motore. I membri del laboratorio Liu volevano capire come gli statori rimangono al loro posto mentre ruotano e nei loro ultimi studi hanno scoperto che questa capacità è resa possibile da una proteina chiamata FliL.

"Questa proteina è stata molto misteriosa sul campo per trent'anni", afferma Guo. "È molto importante per la motilità batterica in ambienti complessi, ma gli scienziati hanno acceso un acceso dibattito sulla sua funzione e struttura."

Cryo-EM a Yale rivela la propulsione flagellare

Per comprendere meglio il ruolo di FliL nella motilità flagellare, il team ha utilizzato una tecnica chiamata tomografia crioelettronica. La tecnologia ha fornito uno sguardo ravvicinato ad alta risoluzione dei flagelli della Borrelia burgdorferi che causa la malattia di Lyme e dell'Helicobacter pylori che causa l'ulcera allo stomaco. Hanno scoperto che le proteine ​​FliL, anch'esse a forma di anello, sono responsabili del mantenimento degli statori in posizione. I singoli anelli FliL, ha scoperto il team, sono importanti per l'assemblaggio e la stabilizzazione di ciascuno dei sedici statori attorno all'anello a C. Hanno anche scoperto che l'eliminazione genetica di questa proteina compromette gravemente la capacità dei batteri di muoversi. "FliL è una parte importante della scatola ingranaggi del flagello che consente al motore di ruotare", afferma Guo. "Senza questo componente, è come se nella scatola del cambio mancasse una vite e il motore si sfalda quando ruota rapidamente."

La motilità è essenziale per la capacità dei batteri di causare malattie. Se i batteri non possono muoversi all'interno del corpo, le infezioni pericolose sono molto meno probabili. I ricercatori sperano di continuare a sviluppare le loro conoscenze su come i batteri si muovono e causano malattie, con l'obiettivo finale di progettare terapie che inibiscano il movimento batterico. Maggiori approfondimenti sulla motilità possono anche aiutare gli scienziati a sviluppare tecniche efficaci di somministrazione dei farmaci. "Se conosciamo tutti i componenti della macchina che aiutano i batteri a muoversi, possiamo provare a progettarli e utilizzarli per applicazioni mediche", afferma Guo.

"Abbiamo fatto progressi incrementali nella comprensione di questa affascinante macchina", afferma Liu. "Speriamo di continuare a lavorare su questo per decenni per risolvere il modo in cui i flagelli di diversi batteri si sono evoluti in modo univoco. Abbiamo appena toccato la punta dell'iceberg per comprendere questa bellissima struttura".