Biomedya - Biyoteknoloji & Yaşam Bilimleri

Bakteriler uzun, ipliksi uzantılarını (filament) derme çatma pervaneler olarak işlev gören tirbuşon şekillerine sararak hareket ediyor, ama "pervaneler" tek bir proteinden oluştuğu için uzmanların bunu tam olarak nasıl yaptıkları konusunda kafaları karışmış durumdaydı.

Olay yüksek teknoloji kriyo-elektron mikroskobu (kriyo-EM) alanında öncü olan UVA'dan Ph.D Edward H. Egelman başkanlığındaki uluslararası bir ekip tarafından çözüldü. Araştırmacılar, hiçbir geleneksel ışık mikroskobunun göremediğini ortaya çıkarmak için kriyo-EM ve güçlü bilgisayar modellemesinden yararlandı. Bu pervanelerin tek tek atom seviyesindeki olağandışı yapısı da böylelikle incelenmiş oldu.

UVA Biyokimya ve Moleküler Genetik Bölümü'nden Egelman, "Bu filamentlerin böyle düzenli sarmal şekilleri nasıl oluşturabileceğine dair 50 yıldır modeller varken; şimdi bu filamentlerin yapısını atomik ayrıntılarla belirledik. Bu [eski] modellerin yanlış olduğunu gösterebiliriz ve yeni anlayışımız bu tür minyatür pervanelere dayalı olabilecek teknolojilerin önünü açmaya yardımcı olacaktır" dedi.

Bakterilerin 'Süper Sarmalleri” için kılavuz

Farklı bakterilerin kamçı (flagellum) veya çoğul olarak kamçılar (flagellata) olarak bilinen bir veya daha fazla uzantıları vardır. Bir flagellum, hepsi aynı olan binlerce alt birimden oluşur. Böyle bir kamçının düz veya en azından biraz esnek olacağını düşünebilirsiniz, ama böyle bir şey bakterilerin hareket etmesini engellerdi. Bunun nedeniyse bu tür şekillerin itme kuvveti oluşturamamasıdır. Bir bakteriyi ileriye taşımak için (hareket etmesi için) dönen, tirbuşon benzeri bir pervane gerekir. Bilim insanları bu şeklin gelişimini "süper sarmal" olarak adlandırıyor ve 50 yılı aşkın araştırmadan sonra artık bakterilerin bunu nasıl yaptığını biliyorlar.

Egelman ve meslektaşları, kamçıyı oluşturan proteinin kriyo-EM kullanarak 11 farklı durumda bulunabileceğini keşfettiler. Tirbuşon şekli, bu durumların tam kombinasyonu ile oluşturuluyor.

Bakterilerdeki pervanenin, arke adı verilen doyurucu tek hücreli organizmalar tarafından kullanılan benzer pervanelerden oldukça farklı olduğu bilinmektedir. Arkeler, neredeyse kaynayan asit havuzlarında, okyanusun en dibinde ve yerin derinliklerindeki petrol yataklarında olduğu gibi, Dünya'daki en aşırı ortamlarda bulunur.

Egelman ve meslektaşları, bir arke formunun, Saccharolobus islandicus'un kamçısını incelemek için kriyo-EM kullandılar ve kamçısını oluşturan proteinin 10 farklı durumda bulunduğunu buldular. Ayrıntılar, araştırmacıların bakterilerde gördüklerinden oldukça farklı olsa da filamentlerin düzenli tirbuşonlar oluşturmasıyla sonuç aynıydı. Bunun bir "yakınsak evrim" örneği olduğu sonucuna varıldı. Bu, bakterilerin ve arkelerin pervanelerinin biçim ve işlev olarak benzer olmasına rağmen organizmaların bu özellikleri bağımsız olarak geliştirdiğini göstermekte.

Makale: “Convergent evolution in the supercoiling of prokaryotic flagellar filaments” by Mark A.B. Kreutzberger, Ravi R. Sonani, Junfeng Liu, Sharanya Chatterjee, Fengbin Wang, Amanda L. Sebastian, Priyanka Biswas, Cheryl Ewing, Weili Zheng, Frédéric Poly, Gad Frankel, B.F. Luisi, Chris R. Calladine, Mart Krupovic, Birgit E. Scharf and Edward H. Egelman, 2 September 2022, Cell.
DOI: 10.1016/j.cell.2022.08.009