Investigadores de la Facultad de Medicina de la Universidad de Virginia y sus colaboradores han resuelto un misterio de hace décadas sobre cómo la E. coli y otras bacterias pueden moverse.

Las bacterias se empujan hacia adelante enrollando largos apéndices filiformes en forma de sacacorchos que actúan como propulsores improvisados. Pero cómo exactamente hacen esto ha desconcertado a los científicos, porque las "hélices" están hechas de una sola proteína.

Un equipo internacional dirigido por Edward H. Egelman, Ph.D. de la UVA, líder en el campo de la microscopía crioelectrónica (crio-EM) de alta tecnología, ha resuelto el caso. Los investigadores utilizaron crio-EM y modelos informáticos avanzados para revelar lo que ningún microscopio óptico tradicional podía ver:la extraña estructura de estas hélices a nivel de átomos individuales.

"Si bien han existido modelos durante 50 años sobre cómo estos filamentos podrían formar formas enrolladas tan regulares, ahora hemos determinado la estructura de estos filamentos en detalle atómico", dijo Egelman, del Departamento de Bioquímica y Genética Molecular de la UVA. "Podemos demostrar que estos modelos estaban equivocados, y nuestra nueva comprensión ayudará a allanar el camino para tecnologías que podrían basarse en tales hélices en miniatura".

Planos para 'supercoils' de bacterias

Las diferentes bacterias tienen uno o varios apéndices conocidos como flagelos o, en plural, flagelos. Un flagelo está formado por miles de subunidades, pero todas estas subunidades son exactamente iguales. Se podría pensar que esa cola sería recta o, en el mejor de los casos, un poco flexible, pero eso dejaría a las bacterias incapaces de moverse.

Eso es porque tales formas no pueden generar empuje. Se necesita una hélice giratoria similar a un sacacorchos para empujar una bacteria hacia adelante. Los científicos llaman a la formación de esta forma "superenrollamiento" y ahora, después de más de 50 años, entienden cómo lo hacen las bacterias.

Usando cryo-EM, Egelman y su equipo encontraron que la proteína que forma el flagelo puede existir en 11 estados diferentes. Es la mezcla precisa de estos estados lo que hace que se forme la forma de sacacorchos.

Se sabe que la hélice de las bacterias es bastante diferente de las hélices similares utilizadas por los abundantes organismos unicelulares llamados arqueas. Las arqueas se encuentran en algunos de los entornos más extremos de la Tierra, como en piscinas de ácido casi hirviendo, en el fondo del océano y en depósitos de petróleo en las profundidades del suelo.

Egelman y sus colegas utilizaron crio-EM para examinar los flagelos de una forma de arquea, Saccharolobus islandicus, y encontraron que la proteína que forma su flagelo existe en 10 estados diferentes. Si bien los detalles fueron bastante diferentes de lo que los investigadores vieron en las bacterias, el resultado fue el mismo, con los filamentos formando sacacorchos regulares.

Concluyen que este es un ejemplo de "evolución convergente", cuando la naturaleza llega a soluciones similares a través de medios muy diferentes. Esto muestra que, aunque las hélices de las bacterias y las arqueas son similares en forma y función, los organismos desarrollaron esos rasgos de forma independiente.

"Al igual que con las aves, los murciélagos y las abejas, que han desarrollado alas para volar de forma independiente, la evolución de las bacterias y las arqueas ha convergido en una solución similar para nadar en ambos", dijo Egelman, cuyo trabajo previo de imágenes lo llevó a la Academia Nacional. de Ciencias, uno de los más altos honores que puede recibir un científico. "Desde que estas estructuras biológicas surgieron en la Tierra hace miles de millones de años, los 50 años que ha llevado comprenderlas pueden no parecer tanto".

La investigación fue publicada en Cell . + Explora más

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