Нанодвигатель: как работает мотор, созданный бактериями
С тех пор как десять лет назад в России случился нанотехнологический бум, мы с нетерпением ждем обещанной революции — «умных» приборов, материалов и механизмов, с ювелирной точностью собранных из отдельных молекул и даже атомов. К сожалению, до сих пор разработать, пустить в массовое производство и с успехом применять молекулярные наномашины удалось разве что самой природе. Один из самых поразительных примеров этому дают жгутики обыкновенных бактерий.
Их устройство столь совершенно, что сторонники некоторых псевдонаучных концепций часто упоминают жгутики в числе систем с «неупрощаемой сложностью»: дескать, этот механизм настолько сложен и внутренне взаимосвязан, что никак не мог возникнуть в ходе постепенной эволюции, по частям, а появился сразу в готовом виде, в результате «разумного замысла». Обоснованную критику подобных взглядов легко найти в Сети. Мы же лучше взглянем на устройство этой поразительной машины — пример высоких нанотехнологий от организмов, которые мы привыкли считать низшими.
Двигатель
Большинство бактерий, способных к активному движению, используют для этого жгутики — длинные и упругие белковые нити, быстрое вращение которых проталкивает клетку в жидкости. Мощность этого молекулярного устройства поразительна, позволяя микробу преодолевать дистанцию до 100 длин собственного тела в секунду. Для сравнения, разогнавшийся гепард покрывает за секунду порядка 25 длин своего тела, — а ведь бактерии приходится двигаться в водной среде, весьма вязкой для крошечных микроорганизмов.
Жгутик приводится в движение огромным молекулярным комплексом, сложенным из примерно 20 различных белков — базальным телом, или «бактериальным жгутиковым двигателем» (BFM — Bacterial Flagellar Motor). Эта громадная (40−45 нм в диаметре) машина намертво вмонтирована в оболочку клетки, вращая свой ротор с частотой до 40−50 тыс. об./мин (для сравнения, двигатели болидов Формулы 1 совершают около 15 тыс. об./мин). При этом бактериальный «мотор» способен затормозить всего за четверть оборота — и тут же запуститься в противоположном направлении.
В устройстве BFM действительно находится много общего с «настоящим» роторным двигателем. Помимо подвижной части — собственно, ротора, — здесь имеется и толкающий винт (жгутик), соединенный с ним посредством карданного шарнира (крюка). Он вращается, удерживаясь в полых втулках скольжения, и приводится в действие неподвижной частью — статором. Часть устройства играет роль трансмиссии, обеспечивая переключение «передней» (по часовой стрелке) и «задней» (скоростей). Впрочем, обо всем по порядку.
LadyofHats, Кирилл Борисенко, Wikimedia Commons
Схема жгутика грамотрицательных бактерий
Гребной винт и кардан
Жгутик — самая длинная часть этого двигателя. У бактерий кишечной палочки, на примере которых изучено большинство деталей BFM, жгутик достигает 10 мкм (10000 нм) — вдесятеро больше самой клетки. Он представляет собой полую спираль, сложенную из 11 параллельных нитей — цепочек белков FliC — и соединяется с ротором через небольшой гибкий «крюк», образованный 120-ю копиями белка FlgE. Крюк выполняет роль карданного шарнира, позволяя жгутику вращаться под углом к оси самого ротора и эффективнее проталкивать клетку вперед.
Канал диаметром 2−3 нм, проходящий по центру жгутика и крюка, обеспечивает их рост. В отличие от наших волос, которые удлиняются у основания, «винт» бактериального двигателя наращивается на кончике. MS-кольцо из 26 белков FliF первым складывается и закрепляется на внутренней, основной мембране клетки, после чего начинает «выкачивать» наружу белки крюка, а затем и самого жгутика. Пройдя сквозь полость, эти белки укладываются на свое место, направляемые молекулами «кэпа» (белки FliD) — дальнего кончика жгутика.
Неудивительно, что MS-кольцо демонстрирует высокое сходство с другой белковой машиной — системой секреции III типа. С ее помощью некоторые бактерии выкачивают из клетки определенные белки, и рост жгутика действительно напоминает контролируемое выделение белков, которые складывают его детали одну за другой. Впрочем, синтез крюка и жгутика начинается позднее: при сборке бактериального двигателя следом после MS-кольца формируются его ротор и статор.
Ruidong Xue et al., Advanced Science, 2015
Отдельные компоненты бактериального двигателя
Ротор и статор
Центральную деталь ротора образует ось, которая одним концом соединена с крюком, а другим крепится на MS-кольце. Она вращается внутри полых поддерживающих втулок, которые фиксируют ось в многочисленных оболочках бактериальной клетки. Во внутренней мембране роль втулки играет MS-кольцо, во внешней липосахаридной — L-кольцо, а в клеточной стенке, состоящей из пептидогликанов, — P-кольцо. С внутренней стороны клетки к MS-кольцу крепится большое С-кольцо, состоящее из более чем 150 отдельных белковых молекул. Именно на него передается усилие со статора.
Неподвижный статор состоит из 8−12 одинаковых элементов — комплексов из белков MotA и MotВ. MotВ намертво крепятся в клеточной стенке, а MotA связаны с C-кольцом и приводят его в движение. Каждый комплекс статора содержит два ионных канала, сквозь которые протоны движутся внутрь клетки, обеспечивая машину энергией. Прохождение протона меняет форму MotA, заставляя нижнюю часть молекулы выпрямляться, подобно пружине, и передавать усилие на белки FliG, из которых выложена верхняя часть С-кольца.
При достаточном потоке протонов ротор начинает вращение, как в шаговом электродвигателе, — отдельными быстрыми перемещениями. В бактериальном моторе на каждый оборот приходится 26 таких шагов, по числу белков FliG, которые идут по периметру C-кольца. Стоит сказать, что за создание избытка протонов снаружи клетки отвечают другие молекулярные машины, занятые их активным перекачиванием через мембрану. А некоторые бактерии могут использовать в качестве источника энергии градиент других ионов — например, натрия.
Thierry Mora et al., PLOS Computational Biology, 2009
Схема работы статора и ротора BFM. Соединения белков статора MotA и ротора FliG показаны точками. Изменение формы MotA передает усилие на FliG и запускает вращение
Трансмиссия
Даже такой замечательный и сложный нанодвигатель был бы совершенно бесполезен, если бы его работу нельзя было контролировать. На самом деле, жгутик со всей его машинерией тесно интегрирован в другие системы бактериальной клетки, которые вместе обеспечивают реакции хемотаксиса — движение в сторону, где привлекательных веществ больше, или наоборот, меньше отталкивающих.
Роль датчиков при этом выполняют расположенные на клеточной мембране рецепторы — «метилируемые белки хемотаксиса». Разные виды этих белков реагируют на разные вещества, связываясь с ними и передавая сигнал клетке. Для этого рецепторы присоединяют фосфатную группу к сигнальным молекулам — например, у той же кишечной палочки такую функцию выполняют небольшие белки CheY. В зависимости от баланса свободных молекул CheY и фосфорилированных CheY-P происходит переключение работы жгутика.
В состав С-кольца входят 34 молекулы белка FliM, с которыми связываются CheY-P. Это заставляет их менять форму, а следом меняется и форма белков FliG, которые непосредственно связаны со статором и обеспечивают вращение. Один вариант FliG вызывает движение по часовой стрелке, другой — против, и чем больше фоссфорилированных CheY-P связывает FliM, — тем сильнее «тянут» они двигатель вращаться по часовой стрелке.
Ruidong Xue et al., Advanced Science, 2015
Присоединение CheY-P (зеленые кружки) меняет форму белков С-кольца из состояния «вращение против часовой стрелки» (синий цвет) в состояние «по часовой» (красный)
Тормоза
Последней по порядку — но не по значению — деталью бактериального двигателя является тормоз. В отличие от автомобильных колодок, которые намертво сжимают диск колеса, жгутику этого не требуется: вращаясь в чрезвычайно вязкой среде, он сам моментально остановится, как только перестанет получать усилие. Поэтому устройство тормоза BFM напоминает не тормоза автомобиля, а ту же трансмиссию: он лишает контакта ротор и статор, и двигатель перестает вращаться сам по себе.
Тормозной механизм BFM был изучен на примере обыкновенных Bacillus subtilis. Эти исключительно широко распространенные и безвредные почвенные бактерии способны переходить от подвижной планктонной фазы к фазе биопленки, в которой они образуют сложные стационарные микробные сообщества и не нуждаются в активном перемещении. При этом их жгутиковый двигатель отключается под действием «тормозных» белков EpsE.
Синтез EpsE начинается при переходе клетки к фазе биопленки. Эти белки связываются с FliG, которые входят в состав С-кольца двигателя. В результате форма FliG меняется, и они теряют контакт с белками статора MotA, — как колеса автомобиля, стоящего «на нейтралке». Движение жгутика прекращается вплоть до того момента, когда бактерии снова потребуется плавать, — и она снова запустит свой удивительный нанодвигатель.
Kris Blair et al., Science, 2008
