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Gli scienziati risolvono un mistero di 50 anni: come si muovono i batteri?

Illustrazione dei batteri del colera

I batteri avanzano avvolgendo lunghe appendici filiformi in forme a cavatappi che fungono da eliche improvvisate.

Gli scienziati dell’Università della Virginia hanno risolto un mistero vecchio di decenni.

I ricercatori della University of Virginia School of Medicine e i loro colleghi hanno risolto un mistero di vecchia data che coinvolge la locomozione di E. coli e altri batteri.

I batteri avanzano ruotando le loro lunghe appendici filiformi in forme a cavatappi che fungono da eliche improvvisate. Tuttavia, poiché le “eliche” sono costituite da una singola proteina, gli esperti sono perplessi su come esattamente lo facciano.

Il caso è stato esaminato da un team internazionale guidato da Edward H. Egelman, Ph.D. da UVA, un pioniere nel campo high-tech della microscopia crioelettronica (crio-EM). I ricercatori hanno utilizzato la crio-EM e la potente modellazione al computer per rivelare ciò che nessun microscopio ottico convenzionale potrebbe vedere: la struttura insolita di queste eliche a livello di singolo atomo.

“Mentre ci sono stati modelli di come questi filamenti potrebbero formare forme contorte così regolari per 50 anni, ora abbiamo determinato la struttura di questi filamenti in dettaglio atomico”, ha detto 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”.

Edward H. Egelman

Edward H. Egelman, Ph.D., della University of Virginia School of Medicine, e i suoi collaboratori hanno utilizzato la microscopia crioelettronica per rivelare come i batteri possono muoversi, risolvendo un mistero che è durato più di 50 anni. Il precedente lavoro di imaging di Egelman ha portato alla sua introduzione nella prestigiosa National Academy of Sciences, uno dei più alti riconoscimenti che uno scienziato possa ricevere. Credito fotografico: Dan Addison | Comunicazioni dell’Università della Virginia

Progetti per i “superbobine” di batteri

Vari batteri hanno una o più appendici conosciute come flagello, o al plurale flagelli. Un flagello è composto da migliaia di subunità, tutte identiche. Si potrebbe immaginare che una coda del genere sia dritta, o almeno alquanto flessibile, ma impedirebbe ai batteri di muoversi. Questo perché tali forme non possono generare spinta. Per spingere un batterio in avanti è necessaria un’elica rotante simile a un cavatappi. Gli scienziati chiamano lo sviluppo di questa forma “superavvolgimento” e dopo oltre 50 anni di ricerca ora sanno come lo fanno i batteri.

Egelman e i suoi colleghi hanno utilizzato la crio-EM per scoprire che la proteina che costituisce il flagello può esistere in 11 stati diversi. La forma del cavatappi è creata dall’esatta combinazione di questi stati.

L’elica nei batteri è nota per essere molto diversa dalle eliche simili utilizzate da potenti organismi unicellulari chiamati archaea. Gli Archaea si trovano in alcuni degli ambienti più estremi della Terra, come le piscine quasi bollenti[{” 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. 

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