Cuando los patógenos invaden a un huésped humano, necesitan la máxima capacidad para moverse por el cuerpo mientras navegan en entornos adversos y causan infecciones. Su capacidad para perforarse a sí mismos a través de un entorno similar a un gel a menudo es posible gracias a la rotación de una máquina con forma de cola ondulada conocida como flagelo.

La forma en que las bacterias se mueven, sobreviven y causan infecciones en el cuerpo ha fascinado a los científicos, pero los roles de ciertos actores clave involucrados en el mecanismo de la motilidad aún no se conocen bien. Ahora, por primera vez, los investigadores de Yale han visualizado una estructura de anillo única que estabiliza el motor del flagelo y mejora el movimiento bacteriano. Los investigadores publicaron sus hallazgos en Proceedings of the National Academy of Sciences el 7 de marzo.

Los flagelos impulsan las bacterias a través del cuerpo

"Los flagelos de las bacterias necesitan generar un alto torque para ayudarlos a moverse en su entorno", dice Jun Liu, Ph.D., profesor en el Departamento de Patogénesis Microbiana y el Instituto de Ciencias Microbianas, y autor principal del estudio. "Encontramos una estructura que es una pieza del rompecabezas, que nos ayuda a comprender por qué algunas bacterias pueden nadar y diseminarse dentro de diversos entornos de acogida para causar infección".

El flagelo tiene tres componentes:el motor, el gancho y el filamento. La rotación del filamento permite que las bacterias se muevan en su entorno. El motor incrustado en la membrana de la célula bacteriana gira, al igual que el motor de un automóvil gira debajo del capó del vehículo, para impulsar el movimiento del filamento en el exterior.

Este motor contiene una estructura grande conocida como anillo en C, que requiere la asistencia de estructuras dinámicas más pequeñas conocidas como estatores para poder girar. Cuando una bacteria necesita moverse, recluta estatores al anillo C, donde experimentan un cambio de conformación y se extienden. Luego, la fuerza del flujo de iones de hidrógeno a través de los canales del estator impulsa la rotación del anillo en C, que a su vez impulsa la rotación del motor y el filamento.

"Antes, no sabíamos qué hacían exactamente los estatores para hacer girar el motor", dice Shuaiqi Guo, Ph.D., científico investigador asociado y primer autor del estudio. En 2020, el equipo descubrió que los estatores no solo experimentan un cambio de conformación, sino que también giran, como engranajes que accionan la correa de un motor. Estas estructuras delgadas y flexibles necesitan girar muy rápido y, sin estabilización, este giro rápido introduciría inestabilidad en todo el motor. Los miembros del laboratorio de Liu querían descubrir cómo los estatores permanecen en su lugar mientras giran y, en sus últimos estudios, descubrieron que esta capacidad es posible gracias a una proteína llamada FliL.

"Esta proteína ha sido muy misteriosa en el campo durante treinta años", dice Guo. "Es muy importante para la motilidad bacteriana en ambientes complejos, pero los científicos han estado debatiendo acaloradamente su función y estructura".

Cryo-EM en Yale revela propulsión flagelar

Para comprender mejor el papel de FliL en la motilidad flagelar, el equipo utilizó una técnica llamada tomografía crioelectrónica. La tecnología proporcionó un primer plano de alta resolución de los flagelos de la Borrelia burgdorferi, que causa la enfermedad de Lyme, y del Helicobacter pylori, que causa la úlcera estomacal. Descubrieron que las proteínas FliL, que también tienen forma de anillo, son responsables de mantener los estatores en su lugar. El equipo descubrió que los anillos FliL individuales son importantes para el ensamblaje y la estabilización de cada uno de los dieciséis estatores alrededor del anillo en C. También encontraron que la eliminación genética de esta proteína afecta gravemente la capacidad de las bacterias para moverse. "FliL es una parte importante de la caja de engranajes del flagelo que permite que el motor gire", dice Guo. "Sin este componente, es como si a la caja de engranajes le faltara un tornillo y el motor se desmoronara cuando gira rápidamente".

La motilidad es esencial para la capacidad de las bacterias para causar enfermedades. Si las bacterias no pueden moverse dentro del cuerpo, las infecciones peligrosas son mucho menos probables. Los investigadores esperan seguir aumentando su conocimiento sobre cómo las bacterias se mueven y causan enfermedades, con el objetivo final de diseñar terapias que inhiban el movimiento bacteriano. Una mayor comprensión de la motilidad también puede ayudar a los científicos a desarrollar técnicas eficaces de administración de fármacos. "Si conocemos todos los componentes de la máquina que ayuda a las bacterias a moverse, podemos intentar diseñarla y utilizarla para aplicaciones médicas", dice Guo.

"Hemos hecho un progreso gradual en la comprensión de esta máquina fascinante", dice Liu. "Esperamos continuar trabajando en esto durante décadas para resolver cómo evolucionaron de manera única los flagelos de diferentes bacterias. Acabamos de tocar la punta del iceberg de comprender esta hermosa estructura".