У миниатюрного двигателя бактерии есть сцепление
Рисунок 1. Жгутик бактерии (с вращающимся мотором) имеет множество конструктивных особенностей – в частности, сцепление.У миниатюрного мотора бактерии есть сцепление!
Многие бактерии приводятся в движение самыми настоящими моторчиками, размер которых – всего 45 нм в диаметре.1 Движение это передаётся наружу: через универсальную связку моторы соединены с филаментами – длинными хлыстообразными спиральными волокнами, в несколько раз превышающим длину самой бактерии.
Мотор состоит из статора, ротора, приводного вала и втулки, через которую приводной вал выходит наружу сквозь оболочку клетки. Вращательное движение такого мотора превращается в волнообразные движения филамента.
Мотор и филамент вместе составляют «жгутик». Часто у бактерий имеется несколько жгутиков. Их согласованное движение позволяет клетке за 1 секунду перемещаться на расстояние, которое в 35 раз превышает ее собственную длину.1
В отличие от наших электродвигателей, которые работают благодаря потоку отрицательно заряженных частиц (электронов в проводах), жгутиковый мотор приводится в движение положительно заряженным потоком ионов водорода (протоны H+) из внешней среды внутрь клетки. (Исключение составляют морские бактерии и бактерии, живущие в высокощелочной среде: при низкой концентрации H+ они используют ионы натрия Na ).
Движение протонов осуществляется за счёт электрического градиента или pH-градиента, а энергия, производящая градиент, образуется при окислении продуктов питания. Поток протонов изменяет форму одной из белковых молекул статора, что оказывает воздействие на одну из белковых молекул ротора и таким образом приводит его в движение.1
Процитирую недавно опубликованную статью:
«Жгутик – один из самый миниатюрных и мощных моторов в природе. Моторы, производимые сенной палочкой (Bacillus subtilis), могут вращаться со скоростью до 200 оборотов в секунду с вращательным моментом в 1400 пиконьютон-нанометров. Это достаточно большая мощность для миниатюрного механизма, ширина которого всего несколько десятков нанометров».2
Сцепление
В этой же статье сообщается ещё об одном удивительном открытии: в состав жгутика входит даже сцепление, с помощью которого моторчик может «отключаться» от филамента. Ученые Гарвардского университета и Университета Индианы в Блумингтоне совершенно случайно обнаружили это, исследуя биоплёнки.3
Биоплёнки – это слизистые пленки толщиной около доли миллиметра, которые образуются на любой поверхности, где есть запасы питательных веществ и воды – от зубов до водопроводных труб.4
Руководитель проекта биолог Дэниел Кирнс (Daniel Kearns) из университета Индианы поясняет:
«Мы пытались выяснить, как соотносятся между собой способность бактерий двигаться и процесс формирования биоплёнок. Мы искали гены, которые определяют, двигаться клетке или оставаться в покое. Хотя сенная палочка сама по себе безвредна, биоплёнки часто ассоциируются с инфекциями из-за наличия патогенных бактерий. Понимание процесса формирования биоплёнок может принести пользу в борьбе с бактериальными инфекциями».2, 5
Иначе говоря, быстрые и резкие движения бактерий могут нарушить процесс формирования плёнок, поэтому бактериям необходим механизм, который бы незамедлительно прекращал их движение. Исследователи обнаружили, что для этого задействуется белок EpsE. Каким же образом он работает? Учёные предложили два возможных объяснения.
В первом случае предполагалось, что EpsE работает как тормоз, приостанавливающий работу мотора. Во втором случае – что EpsE может функционировать как сцепление, отключающее мотор от филамента (подобно тому, как в машине сцепление отсоединяет ведущие колеса от двигателя).
Чтобы определить, какая из версий правильная, учёные прикрепили филаменты к предметному стеклу и изучили поведение бактерий. Жгутиковый мотор оказался достаточно мощным, чтобы каждые пять секунд прокручивать весь микроорганизм при отсутствии белка EpsE. Если бы EpsE работал как тормоз, бактерия не смогла бы вращаться совсем, как не могут вращаться колеса на затормозившей машине.
Если бы этот белок выступал в роли сцепления, то бактерия продолжала бы свободно вращаться, приводимая в движение другим источником, подобно тому, как под действием гравитации колеса машины катятся вниз по склону на нейтральной передаче. Как оказалось, при наличии белка бактерия могла вращаться пассивно, за счет случайного столкновения молекул (броуновское движение6) независимо от влияния филамента.
Предполагается, что молекулярное сцепление EpsE стыкуется с ротором жгутика – кольцеобразной структурой в его основе. Взаимодействие EpsE с белковой молекулой ротора, которая называется FliG, меняет ее форму, что приводит к отсоединению жгутика от мотора.
Рисунок 2. Бактериальный жгутиковый мотор (модель)
«Подвижные клетки приходят в действие за счет взаимодействия белка FliG и белкового комплекса MotA/B (который генерирует вращающий момент). Белковая молекула EpsE действует в качестве молекулярного сцепления, разъединяющего вращающиеся части жгутикового мотора, при этом жгутик может продолжать двигаться, но уже без работы двигателя. Это блокирует подвижность и способствует образованию биоплёнки».4
Механизм сцепления весьма эффективен: бактерии необходимо всего 15 минут, чтобы произвести один белок и остановить механизм вращения жгутика. Этот механизм также не влияет на функцию мотора – при необходимости он сразу возобновляет работу, не тратя времени на повторный запуск.
А то, что филаменты не тормозятся, а способны свободно двигаться в выключенном положении, способствует формированию биоплёнок.4
Разумный замысел или эволюция?
Исследователи потратили немало времени, чтобы разработать возможный принцип временного отключения мотора без остановки его работы. Творец же бактериального жгутика использовал этот принцип изначально, снабдив бактерию механизмом сцепления.
Руководитель проекта Дэниел Кирнс, как и следовало ожидать, воздал «должное» эволюции:7
«Мы очень рады, что эволюционирующая бактерия и специалисты-биологи пришли к одинаковому решению вопроса о том, как отключать работающий мотор».2
Правильнее было бы сказать так:
«Мы очень рады, что специалисты-биологи нашли решение, как отключать работающий мотор с помощью сцепления, в то время как Создатель бактериального жгутика изначально предвидел эту необходимость».
-
[^1]: A good summary is by Howard Berg, a professor of molecular and cellular biology, and of physics, at Harvard University: Motile Behavior of Bacteria, Physics Today, 1999.
[^2]: Microscopic clutch puts flagellum in neutral, Physorg.com, 19 June 2008.
[^3]: Blair, K.M., Turner, L., Winkelman, J.T., Berg, H.C. and Kearns, D.B., A molecular clutch disables flagella in the Bacillus subtilis biofilm, Science 320(5883):1636–1638, 20 June 2008 | DOI: 10.1126/science.1157877.
[^4]: Berry, R.M. and Armitage, J.P., How Bacteria Change Gear: Bacterial motility is arrested when a protein that acts as a clutch disables rotation of the flagellar motor,Science 320(5883):1599–1600, 20 June 2008 (perspective on Ref. 3)| DOI: 10.1126/science.1160444.
[^5]: Биопленки также помогли понять одну вероятную функцию аппендикса. См. Bellinger, R.R., Barbas, A.S., Bush, E.L., Lin, S.S. and Parker, W., Biofilms in the large bowel suggest an apparent function of the human vermiform appendixJ. Theor. Biol. 249(4):826-831, 2007; Wieland, C. and Doyle, S., More musings on our useless appendix, May 2008. –creation.com/appendix4.
[^6]: Заметим, что одна из проблем, привлекавших внимание Альберта Эйнштейна, касалась причины броуновского движения и доказательства существования атомов. (Einstein, A., Uber die von der molekularkinetischen Theorie der Warme gefordete Bewegung von in ruhenden Fliessigkeiten suspendierten Teilchen (О движении малых частиц, взвешенных в неподвижной жидкости, обусловленном молекулярно-кинетической теорией теплоты), Annalen der Physik322(8):549–560, May 1905. Микроскопическое движение в 1827 г. открыл ботаник Роберт Броун.
[^7]: Ещё один пример подобной риторики см.: Sarfati, J., A coat of many colours, Creation 26(4):28–33, 2004. –creation.com/chameleon.
