Разгадана структура жгутика самой быстрой археи
Известно, например, что архея Methanocaldococcus villosus способна передвигаться со скоростью 500 длин своего тела в секунду (в пересчете на человека это почти 1000 метров в секунду). Передвигаются археи при помощи археллумов — длинных белковых нитей, аналогичных жгутикам бактерий. Но ученые до недавних пор не знали, как устроены археллумы M. villosus и за счет чего им удается развивать такую скорость. В недавней статье научной группы из Великобритании и Германии подробно описано строение археллума M. villosus, исследованного с помощью криоэлектронной микроскопии. Оказалось, что нить археллума состоит из двух разных белков, сочетание которых придает ей одновременно гибкость и стабильность.
Рис. 1. Methanocaldococcus villosus — метаногенная архея, которая способна развивать самую высокую относительную скорость в природе: эти организмы могут передвигаться со скоростью до 500 длин собственного тела в секунду (для сравнения: кишечная палочка передвигается со скоростью 20–30 длин тела в секунду, а сапсан — рекордсмен среди животных — при пикировании на добычу разгоняется до ~190 длин тела в секунду). В движение M. villosus приводит пучок из примерно 50 археллумов (аналогов бактериального жгутика), расположенный на одном из полюсов клетки.
Иллюстрация с сайта microbewiki.kenyon.edu
Хотя и бактерии, и археи не имеют ядра (они относятся к прокариотам) и мембранных органелл, между ними есть существенные отличия. Первые из них были отмечены американским молекулярным биологом Карлом Вёзе, который упорядочил живые организмы с помощью анализа последовательностей 16S рРНК. Оказалось, что сходство между этими последовательностями у некоторых прокариот настолько малое, что объединять их в одну группу с бактериями нельзя. Поэтому он выделил их в отдельный домен — архебактерии (позже переименованный в археи).
Дальнейшие исследования, в том числе и биохимические, показали, что у архей есть множество признаков, которые дополнительно оправдывают их выделение в отдельную группу. Они, например, способны выживать в самых экстремальных условиях (горячих источниках, водоемах с высокой соленостью, кислотностью и основностью) и умеют выделять метан. Впрочем, это умеют делать и некоторые бактерии. Но в отличие от бактерий, у архей в клеточной стенке присутствует псевдомуреин (поэтому на них не действуют антибиотики, влияющие на синтез клеточной стенки, например пенициллин), тогда как у бактерий важнейшую роль в построении клеточной стенки играют пептидогликаны — это основной биохимический признак их «бактериальности». По некоторым признакам археи вообще сходны с эукариотами — здесь в пример можно привести особенности синтеза белка (поэтому на архей не действуют и антибиотики, вмешивающиеся в процессы синтеза белков: стрептомицин, неомицин, канамицин) и хроматин на основе гистонов.
Морфологически бактерии и археи очень похожи. Это одноклеточные организмы, подавляющее большинство которых не видно невооруженным глазом (за некоторыми исключениями: см. Гигантская Thiomargarita magnifica нарушает каноны устройства бактериальной клетки, «Элементы», 21.03.2022).
На поверхности клеток бактерий и архей имеются выросты нескольких разновидностей. У бактерий это пили (фимбрии) и жгутики. Пили бактерий — это нитевидные структуры, которые состоят из белков пилинов (pilins). Молекулы пилинов могут образовывать как толстые, так и тонкие нити диаметром <2–11 нм и длиной более 20 мкм.
Традиционно пили разделяют по способу сборки или по функциональному предназначению. Совсем тонкие пили-кудряшки образуют пушистый слой на поверхности грамотрицательных бактерий и необходимы для связывания бактерий друг с другом и поверхностью. Более толстые пили (их чаще называют фимбриями) также задействованы в этих процессах. Фимбрий у бактерии может быть до 1000; они нередко связаны с патологическими процессами. Например, фимбрии кишечной палочки связываются с рецепторами маннозы, чтобы прикрепляться к эпителиальным клеткам (например мочевыводящих путей) и обеспечивать персистирование инфекции. Так называемые пили IV типа (объединенные в эту группу по особому способу сборки) обладают множеством функций. Все они имеют диаметр ~6 нм и длину несколько мкм, находятся обычно на полюсах бактерии. Такие пили участвуют во взаимодействии бактерий с клетками инфицированных организмов, в том числе могут помочь им попасть внутрь клеток. Кроме того, пили IV типа необходимы для образования биопленок и являются рецепторами бактериофагов. Также в их число входят конъюгационные пили, через которые бактерии обмениваются генетической информацией, то есть они обеспечивают половой процесс, и как следствие — могут увеличить устойчивость бактерий к антибиотикам. Наконец, при помощи пилей IV типа бактерии могут двигаться. Этот способ передвижения называется «подергиванием» (twitching motility).
«Подергивание» у бактерии Pseudomonas aeruginosa. Видео из публикации Lori L. Burrows, 2012. Pseudomonas aeruginosa Twitching Motility: Type IV Pili in Action
Но основной способ передвижения подвижных бактерий (а таковы далеко не все — многие кокки, например, относятся к неподвижным бактериям) — использование жгутиков. Вращающийся жгутик толкает бактерию вперед. Повернуть она может за счет так называемых «переворотов» (см. Run-and-tumble motion) — случайных изменений направления поворотов жгутика (против или по часовой стрелке). Если бактерия пытается добраться до какой-то цели, то ее движение состоит из длинных пробегов и коротких поворотов, а не одной прямой линии (M. Sidortsov et al., 2017. Role of tumbling in bacterial swarming).
Жгутик — это сложная белковая структура, которая состоит из закрепленного в клеточной стенке базального тела, филамента (нити) — выступающей за пределы клетки рабочей части жгутика, а также крюка, который соединяет эти две части (рис. 2). Базальное тело состоит из субъединиц, которые образуют статор, закрепленный в клеточной мембране, и ротор, который вращается благодаря градиенту протонов и ионов натрия. Ротор раскручивает жгутик с частотой примерно 300 оборотов в секунду, что придает бактерии в воде скорость примерно 30 мкм в секунду (это верно для кишечной палочки, см. D. J. DeRosier, 1998. The Turn of the Screw: The Bacterial Flagellar Motor). Есть бактерии, которые передвигаются с еще большей скоростью. Например, бактерия Magnetococcus marinus движется со скоростью до 500 мкм в секунду (K. Bente et al., 2020. High-speed motility originates from cooperatively pushing and pulling flagella bundles in bilophotrichous bacteria), а бактерия Thiovulum majus — до 615 мкм в секунду (A. P. Petroff et al., 2015. Fast-Moving Bacteria Self-Organize into Active Two-Dimensional Crystals of Rotating Cells).
Рис. 2. Сравнение жгутика бактерии, археллума археи и пили IV типа. Слева — жгутик (flagellum) грамотрицательной бактерии. Он состоит из нити (filament), на конце которой находятся концевые белки (cap protein), крюка (hook) и базального тела. Базальное тело состоит из ротора (rotor), который использует градиент ионов для раскрутки нити, и статора (stator), который закреплен во внутренней мембране (inner membrane, IM) и пептидогликановом слое (PG). Белки флагеллины (flagellins) формируют жгутик благодаря системе секреции III типа (type III secretion): она транспортирует флагеллины по полости нити в дистальный конец. Белки, которые меняют направление движения жгутика (switch complex), расположены со стороны цитоплазмы. В середине — археллум. Археллум закреплен в мембране (M) археи. В мембране находятся белки FlaI (АТФ-аза, которая обеспечивает движение нити) и FlaJ, белки FlaX и FlaH являются вспомогательными компонентами моторного комплекса. Традиционно считается, что нить археллума состоит из белка FlaB (что опровергается в обсуждаемой статье), который процессируется ферментом FlaK. Сборка археллума происходит с проксимального конца. Справа — пиля IV типа. Ее сборка из белков-пилинов также происходит с проксимального конца. В основании пили находится белок PilT/B, который обеспечивает втягивание пили. Белок PilD процессирует пилины перед сборкой. Секретин (secretin) протягивает пилю через внешнюю (OM, outer membrane) и внутреннюю (IM, inner membrane) мембраны бактериальной клетки).
Рисунок из статьи R. Shahapure et al., 2013. The archaellum: a rotating type IV pilus
Археи не уступают бактериям в скорости. Хотя некоторые из них двигаются со скромной скоростью 10 мкм в секунду, среди архей есть и настоящие спринтеры. Археи Methanocaldococcus jannaschii и М. villosus способны двигаться со скоростью 589 и 468 мкм в секунду соответственно (B. Hertzog, R. Wirth, 2012. Swimming Behavior of Selected Species of Archaea). Скорость последней соответствует почти 500 длинам ее тела в секунду. Для сравнения: гепард — самое быстрое млекопитающее на земле — при атаке движется со скоростью всего 20 длин тела в секунду, а сапсан — самое быстрое животное вообще — при пикировании разгоняется до ~190 длин своего тела в секунду.
Движение архей также контролируется структурами, выступающими за пределы тела. Только вот жгутик архей принципиально отличается от жгутика бактерий. Для него даже используют отдельное название: археллум (по аналогии с названием жгутика, flagellum). Археи передвигаются вперед, если археллум движется по часовой стрелке, и назад — если против часовой стрелки.
Археллумы, хотя внешне и напоминают жгутики бактерий, имеют принципиально другую структуру. Во-первых, по строению они напоминают те самые пили IV типа, которые у бактерий выполняют функции конъюгации. Это обнаружили, сравнивая гены, которые кодируют жгутики у архей и бактерий, — ничего общего между этими структурами генетически нет. Археллумы состоят из белков археллинов, которые близки к генам пилинов у бактерий. Хотя у жгутиков бактерий и архей общее строение похоже — нить, крюк и базальное тело — у археллума нет привычного статора и ротора. Вместо этого у них присутствует АТФ-аза FlaI (ArlI), которая использует для поворачивания нити не градиент протонов и ионов натрия, а энергию расщепления АТФ. Такой же способ используют эукариотические клетки со жгутиком (например, сперматозоиды).
Как такие разные структуры обеспечивают такие высокие скорости, которые могут развивать бактерия T. majus и архея М. villosus, пока неизвестно. Не хватает даже ответов на довольно простые вопросы. Например, ученые до недавнего времени не знали, из чего именно состоят археллумы. Известны были несколько генов, которые кодируют белки, расположенные в нити археллума. Но сколько точно белков в этой структуре и как они организованы — было неизвестно. Предыдущие исследования показывали, что нить состоит преимущественно из одного белка, тогда как другие археллины, вероятно, участвуют в ее сборке (B. Daum et al., 2017. Structure and in situ organisation of the Pyrococcus furiosus archaellum machinery; V. A. Meshcheryakov et al., 2019. High-resolution archaellum structure reveals a conserved metal-binding site). Недавно в журнале Nature Communications вышла статья британских и немецких исследователей, в которой показано, что нить археллума M. villosus строится из двух белковых субъединиц.
Архея M. villosus была впервые найдена в подводных горячих источниках к северу от Исландии. Ее можно выращивать и в лаборатории, но для этого нужно создать ей подходящие условия: давление 2,5 атмосферы, температура 80°C, анаэробность, пропускание водорода и углекислого газа и правильное соотношение солей. В процессе метаболизма она выделяет метан. Археи M. villosus представляют собой кокки (шаровидные клетки) размером примерно 1 мкм с пучком из 50 археллумов. После того, как ученые вырастили достаточное количество клеток M. villosus, они разрушили их с помощью гомогенизатора и выделили фракцию археллумов, которую изучили с помощью криоэлектронной микроскопии. Первые результаты, которые получили ученые, совпали с предыдущими исследованиями: казалось, что археллум действительно состоит из повторяющихся одинаковых субъединиц. Однако уточнение полученных моделей показало, что все же субъединицы отличаются и на самом деле археллум состоит из белков ArlB1 и ArlB2. Среди участков ДНК, которые потенциально могли бы кодировать белки нити археллума у M. villosus, был еще один, который производит белок ArlB3. Однако его строение не совпадало со структурой субъединиц.
Рис. 3. Строение нити археллума M. villosus. а — вид сбоку, b — продольный срез, c — поперечный срез; длина масштабного отрезка — 50 Å. Голубым цветом обозначен белок ArlB1, желтым — белок ArlB2, оранжевым — остатки сахаров. d, e — строение белков ArlB1 и ArlB2; голубым цветом показан N-конец белков, красным — C-конец, стрелкой обозначена выпячивающаяся гликозилированная петля (glycosylation loop). f — наложение «головного» домена ArlB1 (голубой) и ArlB2 (желтый). Показано расположение сайта связывания ионов металла (metal-binding site) и гликозилированной петли. Длина масштабного отрезка — 10 Å.
Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Communications
Нить археллума M. villosus — это неполая внутри структура диаметром примерно 9,8 нм (рис, 3, c). Белки ArlB1 и ArlB2 чередуются в ней так, что получаются три левозакрученные спирали. Хотя гены, кодирующие эти белки, имеют общее происхождение, они значительно отличаются, имея всего 56,5% совпадения в последовательности. Структура белков принципиально похожа: оба состоят из N-концевого гидрофобного «хвоста», который состоит из альфа-спиралей, и C-концевой глобулярной головы. «Хвосты» составляют основу нити, а «головы» выглядывают наружу. В отличие от ArlB1 у ArlB2 есть выпячивающаяся петля, которая гликозилируется. Гликозилирование — добавление остатков сахаров к органическим молекулам (например, к белкам) — может участвовать в сборке или поддержании стабильности белковых комплексов. Зачем нити M. villosus гликозилированы, в том числе за пределами этой петли, — пока неизвестно. Авторы предполагают, что гликозилирование не только помогает в сборке нити археллума и ее подвижности, но и помогает ей быть устойчивой к высоким температурам, при которых обитает M. villosus. Во всяком случае, такие наблюдения были сделаны для других термофильных архей (F. Wang et al., 2019. An extensively glycosylated archaeal pilus survives extreme conditions), а чем выше температура, при которой обитают археи, тем выше уровень гликозилирования архелл. Также ArlB1 и ArlB2 связывают ионы кальция (и, возможно, магния). Но зачем это нужно, пока тоже непонятно.
Структура археллинов позволяет определить, как же все-таки собирается нить археллума. Гидрофобные хвосты ArlB1 и ArlB2, прячась от водной среды, собираются в коровую структуру. Головы же взаимодействуют за счет водородных связей и солевых мостиков, вероятно собираясь в гетеродимеры (пару ArlB1+ArlB2), которые уже взаимодействуют друг с другом. В итоге нить археллума состоит из спиралей из чередующихся гетеродимеров ArlB1+ArlB2. А если посмотреть исключительно на взаимодействие ArlB1 и ArlB2 c такими же соседними субъединицами, то тоже можно проследить спирали, но с небольшой асимметрией (рис. 4).
Рис. 4. Слева — субъединицы ArlB1 (голубой) и ArlB2 (желтый) чередуются в нити археллума, образуя левозакрученную спираль. В середине — одноименные субъединицы (ArlB1 или ArlB2) также образуют спираль, но расположенную неровно (показаны пунктирами). Справа изображено, как при сборке нити археллума гетеродимер ArlB1+ArlB2, закрепленный в мембране (M) археи, интегрируется в состав нити.
Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Communications
Несмотря на то, что в полученной модели нить археллума выглядит прямой, в реальности она либо изогнута (в покое), либо закручена в спираль (при движении). Таким образом, субъединицы нити должны быть организованы так, чтобы не только быстро двигаться, но и менять форму. Авторы проанализировали возможность изменения конформации гетеродимера ArlB1+ArlB2 при движении: оказалось, что субъединицы на вогнутой стороне сжаты между собой, а выгнутой — растянуты. Такая динамика — результат того, что «хвосты» в ядре нити вращаются и скользят относительно оси нити. «Смазкой» для таких «движений» служат взаимодействия гидрофобных районов хвоста. Псевдоспирали из ArlB1 или ArlB2 также могут менять положение: они двигаются при движении хвостов. Однако сами «хвосты» или «головы» не меняют свою конформацию. Исключение составляют лишь «шарнир» из двух аминокислот, соединяющих голову и хвост, и похоже, что именно такие шарниры дают дополнительную гибкость археллуму.
В чем преимущество того, что нити археллума состоят из пар чередующихся белков? Авторы предполагают, что такое сочетание дает дополнительную стабильность и подвижность. Контакты между двумя белками ArlB2 более стабильные, чем между двумя ArlB1, и, возможно, это дает нити дополнительную гибкость. Также образование спирали из чередующихся белков ArlB1 и ArlB2, а также псевдоспиралей из контактирующих одинаковых белков дает возможность нити археллума складываться в суперспирали, которые не зависят от направления движения археи и, соответственно, от направления вращения жгутика.
Зачем же нам знать, как устроен археллум? Исследование движения живых организмов помогает ученым в разработке биороботов. В 2021 году швейцарские ученые разработали микроробота, который способен переносить частицы в жидкости (C. Dillinger et al., 2021. Ultrasound-activated ciliary bands for microrobotic systems inspired by starfish). Его строение было вдохновлено движением личинок морской звезды. У них есть реснички, которые расположены слоями, направленными в разные стороны. Реснички микроробота приводились в движение с помощью ультразвука и могли совершать больше 10 тысяч колебаний в секунду (в этом ролике можно посмотреть, как это происходило).
Такие микророботы создаются в надежде получить более точные способы доставки препаратов в организме. Жгутики эукариот и бактерий уже давно считаются перспективным способом передвижения таких наномашин (подробнее о них можно прочитать в статье C. K. Schmitt et al., 2020. Engineering microrobots for targeted cancer therapies from a medical perspective). Однако, пока такие мини-пропеллеры создаются только из полимеров и металлов. В будущем, вероятно, ученые будут способны воссоздать их в белковом обличье.
Источник: Lavinia Gambelli, Michail N. Isupov, Rebecca Conners, Mathew McLaren, Annett Bellack, Vicki Gold, Reinhard Rachel, Bertram Daum. An archaellum filament composed of two alternating subunits // Nature Communications. 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-28337-1.
Екатерина Грачева, Еlementy.