Кишечная палочка плывёт, вращая несколько тонких спиральных нитей — жгутиков. У основания каждой нити стоит мотор около 45 нанометров в поперечнике, собранный примерно из двадцати видов белковых деталей. Он вращается в обе стороны, работает не на АТФ, а на токе ионов через мембрану, и во время работы меняет собственные детали.
Как именно ток ионов превращается во вращение, окончательно не установлено. В обзоре 2003 года Говард Берг писал, что об устройстве, генетике и сборке мотора известно очень многое, «но мы по-настоящему не понимаем, как он работает». С тех пор появились снимки его деталей с атомным разрешением. Вопрос стал точнее, но не закрылся.
Как плывёт кишечная палочка
Жгутик кишечной палочки — нить длиной в несколько микрометров и толщиной около 20 нанометров. У плывущей клетки она вращается со скоростью порядка ста оборотов в секунду.
Нитей у клетки несколько. Пока их моторы вращаются в одну сторону, нити собираются в общий пучок, и клетка плывёт прямо. Стоит мотору развернуться — клетка кувыркается на месте и затем плывёт уже в другом направлении. Съёмка окрашенных жгутиков показала, что для кувырка не обязательно разворачиваться всем моторам: иногда достаточно одной нити.
Скорость мотора зависит от того, что он вращает. Нить жгутика приходится проворачивать в воде, и вода ей сопротивляется — это и есть нагрузка на мотор. В одном из опытов взяли бактерий без нитей жгутиков и к крюку каждого мотора прикрепили золотую бусину диаметром 60 нанометров: такой крошечной бусине вода почти не сопротивляется. При 23 °C мотор разгонял бусину примерно до трёхсот оборотов в секунду — примерно втрое быстрее, чем вращается нить жгутика у плывущей клетки.
При этом скорость не зависела от того, сколько в моторе рабочих узлов: первый же узел давал полную скорость, и следующие её уже не прибавляли.
Из чего собран мотор
Снаружи клетки — нить жгутика, собранная из одного-единственного белка, флагеллина: его молекулы уложены в трубку из одиннадцати продольных рядов. С мотором нить соединяется коротким изогнутым участком — крюком.
Сам мотор встроен в оболочку клетки. Его вращающаяся часть, ротор, — набор колец, лежащих во внутренней мембране. Вокруг ротора стоят неподвижные узлы — статоры. Они закреплены на клеточной стенке и создают вращающий момент.
Топливо мотора — не АТФ. Клетка постоянно поддерживает перепад, из-за которого ионы стремятся войти через мембрану внутрь. Мотор пропускает их через себя и превращает этот поток во вращение. У кишечной палочки это протоны. У морской бактерии Vibrio alginolyticus мотор полярного жгутика работает на ионах натрия и, как указано в работе 1997 года, вращается до 1700 оборотов в секунду. Белки его статора похожи на белки протонного мотора кишечной палочки: устройство сходное, меняется ион.
На токе протонов через мембрану вращается и АТФ-синтаза, о которой мы писали в статье о молекулярных моторах. Но задача у неё обратная: жгутиковый мотор тратит поток ионов на движение, а АТФ-синтаза — на производство АТФ.
Статор — ионный канал
Как устроен статор, долго оставалось неизвестным. В 2020 году две группы получили его изображения методом криоэлектронной микроскопии с разрешением около трёх ангстрем. Статор оказался каналом, в котором пять молекул белка MotA окружают две молекулы MotB.
Такой же порядок — пять вокруг двух — нашли у трёх разных бактерий: Clostridium sporogenes, сенной палочки Bacillus subtilis и Vibrio mimicus, у которой мотор работает на натрии. Авторы одной из работ считают это устройство общим для бактериальных машин, которые превращают поток ионов в механическую работу.
Замена статоров во время работы
Сложные белковые машины принято было считать собранными раз и навсегда: деталь занимает своё место, пока белок не разрушится. Жгутиковый мотор эту картину опроверг.
В 2006 году белок статора MotB пометили зелёным флуоресцентным белком и пересчитали метки в работающих моторах по одной. В каждом моторе оказалось около 22 молекул MotB, то есть около одиннадцати статоров. Ещё около двухсот таких молекул свободно перемещались в мембране. Главное же — статоры непрерывно обменивались с этим запасом: отдельный статор держался на моторе в среднем около полуминуты. Авторы назвали это первым прямым измерением того, как быстро меняются детали внутри работающей молекулярной машины.
Позже выяснилось, что число статоров зависит от того, какое сопротивление мотору приходится преодолевать. Пока мотор вращает только крюк или короткий обломок нити жгутика, его ведут один-два статора. Если резко увеличить сопротивление — заставить мотор вращать всю клетку, прикреплённую жгутиком к стеклу, или латексную бусину диаметром в микрометр, — за несколько минут к мотору ступенчато присоединяются новые статоры, до шести–одиннадцати. Авторы заключили, что статоры сами служат датчиками механического усилия.
Возможен и обратный опыт. Клетку, прикреплённую к стеклу, подкручивают вращающимся электрическим полем в ту же сторону, куда её вращает мотор, так что мотору почти не приходится прилагать усилие. Тогда статоры отсоединяются все. Стоит поле выключить — они снова садятся на место, и скорость растёт ступенями.
Иначе говоря, мотор собирается под ту работу, которую ему приходится выполнять.
Шаг мотора: 26 на оборот
Вращение мотора не плавное. В 2005 году исследователи замедлили натриевый мотор, встроенный в кишечную палочку: ослабили натриевый перепад и оставили в моторе всего несколько статоров. При таком замедлении стало видно, что ротор поворачивается рывками — 26 шагов на оборот. Это число совпадает с периодичностью кольца из белка FliG — места на роторе, где, как считается, статор и создаёт усилие.
Встречались и шаги назад. По оценке авторов, это значит, что энергия одного шага мала — сопоставима с энергией, которую отдаёт один ион, проходя через мембрану.
Переключение направления вращения
Направление вращения мотор выбирает не сам: им управляет сенсорная система клетки, и благодаря ей бактерии собираются там, где условия для них лучше. Сигнал от датчиков к мотору передаёт белок CheY. Связываясь с переключателем — кольцом у основания ротора, — он меняет направление вращения, и управляет этим фосфорилирование сигнального белка.
У переключателя обнаружилось свойство, которого трудно было ожидать. Если следить за одиночными моторами при разном количестве сигнального белка в клетке, отклик оказывается очень крутым и одинаковым у разных клеток. Мотор ведёт себя не как регулятор громкости, где чуть больше сигнала даёт чуть больше эффекта, а скорее как выключатель: в узком диапазоне концентраций он переходит от одного режима к другому. Авторы работы 2000 года назвали такой мотор сверхчувствительным и заключили, что он сам участвует в усилении сигнала.
Позже оказалось, что мотор ещё и подстраивается: меняет число молекул белка FliM, к которым может присоединиться сигнальный белок. Когда это число удалось зафиксировать, крутизна отклика оказалась примерно вдвое больше, чем в прежних измерениях.
В 2024 году переключатель сняли методом криоэлектронной микроскопии в обоих состояниях — при вращении в одну и в другую сторону — и увидели, как меняется его строение при смене направления.
Как нить жгутика наращивается на конце
Нить жгутика в несколько раз длиннее самой клетки и состоит из нескольких десятков тысяч молекул флагеллина. Растёт она не у основания, а на дальнем конце. Молекулы флагеллина выводятся из клетки и проходят по узкому каналу внутри уже готовой нити к самому её концу. Там сидит «шапочка» из пяти белковых молекул. Она подстраивает свою форму так, чтобы открытым оставалось ровно одно место для встраивания очередной молекулы.
Снаружи клетки взять энергию для роста неоткуда. В 2017 году рост отдельных нитей проследили в реальном времени. Сначала нить прирастает примерно на 1700 аминокислот в секунду, а по мере удлинения растёт всё медленнее. Объяснение оказалось простым: аппарат у основания впрыскивает молекулы флагеллина в канал, используя энергию ионного перепада, а дальше они добираются до конца нити диффузией — и чем длиннее нить, тем дольше этот путь.
Что остаётся моделью
Детали мотора теперь известны с атомной точностью, но то, как ток ионов превращается во вращение, по-прежнему описывает модель.
Самая распространённая из них такова: кольцо из пяти белков MotA поворачивается вокруг двух белков MotB, как колесо вокруг оси, и приводит в движение ротор. Авторы структур 2020 года пишут, что устройство статора предполагает вращение. В обзоре 2022 года сказано определённее: вращение этих колец никогда не наблюдали напрямую, о нём заключают по симметрии белковых комплексов и по той работе, которую они выполняют.
Модель хорошо согласуется со снимками. Но это вывод, а не наблюдение, и так его и следует понимать.
Происхождение жгутика
Жгутик часто приводят как пример устройства, которое не могло возникнуть постепенно: стоит убрать одну деталь — и он не работает. Этот довод, «несократимую сложность», выдвигают сторонники идеи разумного замысла; жгутик фигурировал в нём и на судебном процессе в Довере, в США.
Биологи отвечают на него исследованиями того, из чего жгутик мог сложиться. Сравнение генов жгутика у 41 вида из 11 типов бактерий выделило 24 основных структурных гена, которые, по заключению авторов, были уже у общего предка всех бактерий. Многие из этих генов похожи друг на друга, и авторы пришли к выводу, что основные детали жгутика возникли последовательным удвоением и изменением немногих генов, а возможно — одного. Другие исследователи сочли эту схему, возможно, слишком простой.
Со жгутиком связана и ещё одна находка. У многих бактерий есть система секреции III типа — устройство, через которое они доставляют белки в клетки хозяина. Её аппарат родствен аппарату сборки жгутика. Анализ больше тысячи геномов показал, что эта система произошла из жгутика: часть его конструкции была приспособлена к новой задаче.
В научной литературе спор идёт не о том, возник ли жгутик в ходе эволюции, а о том, каким именно путём.
Действие анестетиков на подвижность
Анестетики, которыми усыпляют людей, действуют и на организмы без нервной системы — на примере растений об этом рассказано в статье о раздражимости растений. Есть такие данные и для бактерий, хотя их заметно меньше.
В 2017 году кишечную палочку и ещё три вида бактерий выдерживали в атмосфере летучих анестетиков. Изофлуран в концентрации 3 % снижал плавание кишечной палочки на 80 %, севофлуран — на 50 %, и чем выше доза, тем сильнее был эффект. У синегнойной палочки действие оказалось слабее, а внутривенный анестетик пропофол на плавание не повлиял. Рост бактерий при этом не менялся, и белка жгутика, флагеллина, они вырабатывали не меньше: дело, по-видимому, не в том, что жгутиков стало меньше. Авторы предполагают, что анестетики действуют на ионные переносчики в мембране, но прямого связывания с ними не показали.
В другой работе проверяли ксенон — благородный газ, которым тоже проводят наркоз. Он подавлял срабатывание механочувствительного ионного канала кишечной палочки, а высокое давление этот эффект снимало. Авторы заключили, что ксенон связывается непосредственно с белком, а не действует через свойства мембраны.
Чего пока нет, нужно сказать прямо. Мы не нашли работ, где проверяли бы, возвращается ли подвижность бактерий после того, как анестетик убрали, — хотя для растений это показано. Не нашли и измерений того, как анестетики влияют на вращение самого жгутикового мотора. На какую именно деталь действует наркоз у бактерии, пока неизвестно.
Жгутик бактерии и ресничка — разные устройства
По-русски жгутиком называют и нить бактерии, и хвост сперматозоида, и движитель многих одноклеточных водорослей. Но это разные машины.
Плавательные нити возникли в эволюции независимо трижды: археллы у архей, жгутики у бактерий и реснички у эукариот — организмов с клеточным ядром, к которым относимся и мы. Бактериальный жгутик и археллы вращаются, а ресничка бьёт. Бактериальный жгутик работает на токе ионов, ресничка и археллы — на АТФ. Жгутик и ресничка растут с дальнего конца, археллы — от основания. Жгутик бактерии, по-видимому, произошёл от невращающегося придатка или системы секреции, а ресничка — от неподвижной чувствующей структуры.
Одна и та же задача — плыть — была решена трижды, и каждый раз из того, что уже было под рукой: авторы обзора пишут, что в новые машины всякий раз перестраивались уже существовавшие.
Читать дальше
→ Молекулярные моторы: АТФ-синтаза — ещё один вращающийся мотор на токе протонов, а также кинезин и миозин → Асгардские археи: белки внутреннего каркаса клетки, которые оказались старше сложной клетки → Раздражимость растений: как анестетики действуют на организмы без нервной системы