A citoszkeleton mobilizálja a baktériumokat

Spirál alakú mozgás dekódolja

A Spiroplasma melliferum baktérium citoszkeletonjának részlete. Balra és középpontba helyezve: a 3D rekonstrukcióból származó szekciók és a S. melliferum sejt egy megfelelő 3D-s ábrázolása, amelyek szemléltetik a citoszkeleton szerkezetét és folyamatát. Ez vastag szálak két külső sávjából áll (a középső képen zöld és piros) és egy köztes vékony szálakból áll (a középső képen lila színű). Jobbra: Az izzószál szürke értékeinek profiljai, amelyek jelzik a számot, valamint az egyes szálak közötti távolságot. A két külső sáv 5 vastag izzóspirálból áll, amelyek egymástól távolságra 11 nanométert tartalmaznak (a képen jobb felső sarokban), míg a középső sáv 9 vékony szálakból áll, négy nanométer távolságra (jobbra lent). © Max Planck Biokémiai Intézet
felolvasta

A Max Planck Biokémiai Intézet és az Európai Molekuláris Biológiai Laboratórium (EMBL) háromdimenziós képeit most először fedezték fel a Mycoplasmas Spiroplasma melliferum baktérium egyikében, a citoszkeleton és annak pontos megjelenése egyértelmű bizonyítékaival. A tudósok felülvizsgálhatják vagy kiegészíthetik a citoszkeleton szerkezetére és működésére a mikroorganizmusok spirálmozgásában alkalmazott korábbi modelleket és elméleteket.

A baktériumoknak citoszkeleton is van

Régóta feltételezték, hogy csak az eukarióták, azaz azok a szervezetek, amelyek sejtjeiben egy mag található, olyan citoszkeletonnal rendelkeznek, amely felelős a stabilitásért és az alakért, valamint fontos szerepet játszik mozgásukban. Ezt azonban a mikoplazma baktériumcsoportjának felfedezése kérdőjelezte meg. Ezeknek az organizmusoknak a sejtfal hiánya ellenére, amelyet eredetileg baktériumtermelőnek gondoltak, változatos morfológiájuk van és mozogni tudnak, bár hiányoznak a tipikus sejtkötések, például a szárnyas.

Azt a javaslatot, hogy a baktériumok tartalmazzanak egy citoszkeleont is, végül megerősítették az olyan fehérjék felfedezése, amelyek szorosan hasonlítanak az eukarióta szerkezeti fehérje aktinhoz. Annak ellenére, hogy ezen a területen fokozódnak a kutatások, még nem sikerült meghatározni ennek a citoszkeletonnak a természetre valósághű szerkezeti felépítését és lefolyását egy baktériumon belül. A spiroplazma szerkezeti elemeinek tisztázására szolgáló korábbi vizsgálatok során a sejteket feloldottuk, és a citoszkeletont izoláltuk. Más tanulmányok megkíséreltek immunfluoreszcens mikroszkópos módszereket alkalmazni a tigriskeret molekuláris összetételének feltárására. Mindkettő olyan intervenció, amely vagy megsemmisíti az élő sejtet, vagy természetellenesen megváltoztatja azt.

Csak a krioelektron tomográfia fejlesztésével vált lehetővé az ép sejtben háromdimenziós struktúrák megjelenítése és részletes leírása gyorsfagyasztott állapotban (mínusz 196 ° C-on), legfeljebb négy nanométer felbontással. A Max Planck Biokémiai Intézet Molekuláris Strukturális Biológiai Tanszékének kutatói ennek az új elektronmikroszkópos módszernek köszönhetően már sikeresen megvizsgálták a sejtkomponenseket, például a nagy molekuláris komplexeket vagy organellákat, ezáltal a sejtbiológiát és a szerkezeti biológiát is. érett új ismereteket kapnak a sejten belüli különféle molekuláris komplexek és sejtszervezetek kommunikációjáról és interakciójáról. Most a tudósok merte meríteni technikájukat a bakteriális citoszkeleton szerkezetének és ezáltal a specifikus mikroorganizmusok spirális mozgásának molekuláris hátterének tisztázására.

Doktori értekezésének részeként K rner Julia körülbelül egy éven keresztül gyűjtött adatokat és képeket az elektronmikroszkópról, amelyet a híres Science tudományos folyóiratban publikál a Spiroplasma melliferum vázának 3D szemléltetésére. kijelző

A citoszkeleton szerkezete láthatóvá válik

A rúd alakú baktérium a S. melliferum a mikoplazmák csoportjába tartozik, amelyekben a baktériumok méretének csak körülbelül egynegyede van (kb. 450 millió milliméter), és így a legkisebb ismert mikroorganizmusok választani. A mikoplazmák magukba foglalják az emberek és állatok légúti betegségeinek kórokozóit, például a Mycoplasma pneumoniae-t, a tüdőgyulladás kórokozóját. Kis mérete miatt a mikoplazma ideális célpont a krioelektron tomográfiához.

K rner Julia most már nagy felbontású képessé tette a citoszkeleton szerkezetének részleteit, így teljesen új betekintést nyert. Korábban azt gondolták, hogy az S. melliferum vázának 6 vagy 7 összekapcsolt protein szálból álló sávja áll, úgynevezett filamentek, amelyek körülbelül 10 nanométer távolságra vannak spirálisan a sejtmembrán mentén nyújtsa ki az egész cellát. Ezenkívül korábban azt feltételezték, hogy ezek a szálak csak egy, azonos alegységgel rendelkező fehérjekomplexből, az úgynevezett "fibrill" proteinből állnak.

Ezt a doktrínát azonban most felül kell vizsgálni. K rner Julia meg tudta mutatni, hogy ezeknek a baktériumoknak két különböző szála van, amelyek három különböző szélességű, párhuzamos sávban vannak elrendezve, és össze vannak kötve egymással és a sejtmembránnal. A két külső izzósáv mindegyike öt vastagabb izzóláncból áll, amelyek egymástól 11 nanométer távolságra vannak, míg a harmadik, közbeiktatott kilenc vékonyabb szálú izzószál egymástól van elhelyezve csak négy nanométer képezi egymást.

"Vastag" és "vékony" fehérjék

Mivel a Martinsried szerkezeti biológusai egyértelműen két különböző fehérjeszerkezetet találtak ("vastag" és "vékony"), elkülönítették a szálakat a sejtekből annak érdekében, hogy mikroszkopikusan és biokémiailag tovább tanulmányozzák őket. Megállapították, hogy a vastagabb, körülbelül tíz nanométer átmérőjű szálak valóban párban vannak felépítve és a "fibrill" fehérje alkotják. A vékonyabb szálak instabilitása miatt az izolált állapotban lévő szerkezetét nem lehetett tovább vizsgálni elektronmikroszkóppal. A Max Planck tudósok biokémiai kísérletei azonban kimutatták, hogy a "fibrill" protein mellett az MreB aktinszerű fehérje szintén előfordul az S. melliferumban. Más kutatók eredményei alátámasztva tehát feltételezik, hogy az MreB fehérje képezi ezen sejtek citoszkeletonának belső filamentuma szalagát.

Az újonnan megszerzett szerkezeti eredményeik alapján K rner, Frangaki és Baumeister képesek voltak megmagyarázni, hogy az S. melliferum sejtváz megkönnyíti és szimulálja a mozgást. A spirális úszó mozgást a két külső izzószál hosszának összehangolt megváltoztatása teszi lehetővé a belső izzószalaghoz viszonyítva. Ezzel a mozgással, amely végső soron a cella forgásirányának megváltozásához vezet, a cella meghajtón megy keresztül, és képes mozgatni. Ehhez az elmélethez a kutatók számítógépes szimulációt készítettek, amely jobban szemlélteti ezt a működési módot.

Kürner és munkatársai munkája azt mutatja, hogy a krioelektron tomográfia biokémiai vizsgálatokkal és számítógépes szimulációkkal kombinálható a sejtrendszerek szerkezetének és működésének egyidejű tisztázására, ezáltal megnyitva a korábban még meg nem oldott kapcsolatokat.

A tudósok eredményeiket és új képeket mutatják be a „Science” tudományos folyóirat jelenlegi számában.

(MPG, 2005.01.24. - DLO)