Малюнок 1. Джгутик бактерії (з двигуном, який обертається) має безліч конструктивних особливостей, зокрема зчеплення.У мініатюрного двигуна бактерії є зчеплення!

Багато бактерій приводяться в рух самими справжніми маленькими двигунами, розмір яких – усього 45 нм в діаметрі.¹ Рух цей передається назовні: через універсальну зв'язку двигуни з'єднані з філаментами – довгими батогоподібними спіральними волокнами, які в кілька разів перевищують довжину самої бактерії.

Двигун складається зі статора, ротора, привідного валу й втулки, через яку привідний вал виходить назовні крізь оболонку клітини. Обертальний рух такого двигуна перетворюється в хвилеподібні рухи філаменту.

Двигун та філамент разом складають «джгутик». Часто у бактерій є кілька джгутиків. Їх узгоджений рух дозволяє клітині за 1 секунду переміщуватися на відстань, яка в 35 разів перевищує її власну довжину.¹

На відміну від наших електродвигунів, які працюють завдяки потоку негативно заряджених частинок (електронів в електродротах), джгутиковий двигун приводиться в рух позитивно зарядженим потоком йонів водню (протони H⁺) із зовнішнього середовища всередину клітини. (Виняток становлять морські бактерії й бактерії, що живуть у високолужних середовищах: при низькій концентрації H⁺ вони використовують йони натрію Na). 

Рух протонів здійснюється за рахунок електричного градієнту або pH-градієнту, а енергія, яка виробляє градієнт, утворюється при окисленні продуктів харчування. Потік протонів змінює форму однієї з білкових молекул статора, що впливає на одну з білкових молекул ротора й таким чином приводить його в рух.¹

Процитую недавно опубліковану статтю: 

«Джгутик – один з найбільш мініатюрних й потужних двигунів в природі. Двигуни, вироблені сінною паличкою (Bacillus subtilis), можуть обертатися зі швидкістю до 200 обертів в секунду з обертовим моментом в 1400 піконьютон-нанометрів. Це досить велика потужність для мініатюрного механізму, ширина якого всього кілька десятків нанометрів».²

Зчеплення

 У тій самій статті повідомляється про ще одне дивне відкриття: до складу джгутика входить навіть зчеплення, за допомогою якого двигун може «відключатися» від філаменту. Вчені Гарвардського університету й Університету Індіани в Блумінгтоні абсолютно випадково виявили це, досліджуючи біоплівки.³

Біоплівки – це слизові плівки товщиною близько долі міліметру, які утворюються на будь-якій поверхні, де є запаси поживних речовин й води – від зубів до водопровідних труб.⁴

Керівник проекту біолог Деніел Кірнс (Daniel Kearns) з університету Індіани пояснює: 

«Ми намагалися з'ясувати, як співвідносяться між собою здатність бактерій рухатися й процес формування біоплівок. Ми шукали гени, які визначають, рухатися клітині чи залишатися в спокою. Хоча сінна паличка сама по собі нешкідлива, біоплівки часто асоціюються з інфекціями через наявність патогенних бактерій. Розуміння процесу формування біоплівнок може принести користь в боротьбі з бактеріальними інфекціями».^{2, 5}

Інакше кажучи, швидкі й різкі рухи бактерій можуть порушити процес формування плівок, тому бактеріям необхідний механізм, який би негайно припиняв їх рух. Дослідники виявили, що для цього задіюється білок EpsE. Яким же чином він працює? Вчені запропонували два можливих пояснення. 

У першому випадку передбачалося, що EpsE працює як гальмо, що припиняє роботу двигуна. У другому випадку – що EpsE може функціонувати як зчеплення, що відключає двигун від філаменту (подібно до того, як в машині зчеплення від'єднує ведучі колеса від двигуна).

Щоб визначити, яка з версій правильна, вчені прикріпили філаменти до предметного скла й вивчили поведінку бактерій. Жгутиковий двигун виявився досить потужним, щоб кожні п'ять секунд прокручувати весь мікроорганізм при відсутності білка EpsE. Якби EpsE працював як гальмо, бактерія не змогла б обертатися зовсім, як не можуть обертатися колеса машини, яка гальмує. 

Якби цей білок виступав в ролі зчеплення, то бактерія продовжувала б вільно обертатися, тобто приводилася б в рух іншим джерелом, подібно до того, як під дією гравітації колеса машини котяться вниз по схилу на нейтральній передачі. Як виявилося, при наявності білка бактерія могла обертатися пасивно, за рахунок випадкового зіткнення молекул (броунівський рух⁶) незалежно від впливу філаменту.

Передбачається, що молекулярне зчеплення EpsE стикується з ротором джгутика – кільцеподібної структури в його основі. Взаємодія EpsE з білковою молекулою ротора, яка називається FliG, змінює її форму, що призводить до від'єднання джгутика від двигуна.

Бактеріальний джгутиковий двигун (модель)

«Рухливі клітини рухаються за рахунок взаємодії білка FliG й білкового комплексу MotA / B (який генерує обертаючий момент). Білкова молекула EpsE діє в якості молекулярного зчеплення, що роз'єднує обертові частини жгутикового двигуна, при цьому джгутик може продовжувати рухатися, але вже без роботи двигуна. Це блокує рухливість й сприяє утворенню біоплівки».⁴

Механізм зчеплення досить ефективний: бактерії необхідно всього 15 хвилин, щоб зробити один білок і зупинити механізм обертання джгутика. Цей механізм також не впливає на функцію мотора – за необхідності він відразу відновлює роботу, не витрачаючи часу на повторний запуск. 

А те, що філаменти не гальмуються, а мають здатність вільно рухатися у вимкненому положенні, сприяє формуванню біоплівок.⁴

Розумний дизайн чи еволюція?

Дослідники витратили чимало часу, щоб розробити можливий принцип тимчасового відключення двигуна без зупинки його роботи. Але Творець бактеріального джгутика використовував цей принцип спочатку, забезпечивши бактерію механізмом зчеплення.

Керівник проекту Деніел Кірнс, як і слід було очікувати, віддав «належне» еволюції:⁷ 

«Ми дуже раді, що еволюціонуюча бактерія й фахівці-біологи прийшли до однакового вирішення питання про те, як відключати працюючий двигун».²

Правильніше було б сказати так: 

«Ми дуже раді, що фахівці-біологи знайшли рішення, як відключати працюючий двигун за допомогою зчеплення, в той час як Творець бактеріального джгутика спочатку передбачив цю необхідність».