Синтез жгутика.

Процесс синтеза жгутика бактерий запускается экспрессией гена СtrA. Продуктом этого гена является белок CtrA. Синтез CtrA происходит сразу после перехода клетки из G-фазы в S-фазу. Обычно участок ДНК, содержащий ген СtrA, метилирован. Синтезу белка CtrA предшествует деметилирование ДНК, которая затем реплицируется. После этого происходит синтез CtrA и его фосфорилирование киназами. Ген СtrA имеет два промотора: РI и РII. С первого промотора осуществляется ингибирование синтеза CtrA. Со второго промотора осуществляется стимулирование синтеза CtrA. Следует отметить, что белок CtrA найден не у всех эубактерий, и механизм синтеза жгутика не универсален.

Механизм движения.

Конструкция базального тела выполняет функцию хемомеханического преобразователя, т.н. флагеллиновый мотор: базальное тело преобразует химическую энергию в энергию работы за счет концентрации протонов, движение протонов осуществляется за счет электрического градиента или pH-градиента, а энергия, производящая градиент, образуется при окислении продуктов питания. Вращение осуществляется со скоростью 100 об/сек, причем направление изменяется может изменятся за 0,1 секунду.

Рассмотрим механизм детальнее. Важными узлами электромотора являются два диска M и S, центры которых соединены с вращающимся стержнем, выступающим наружу. На краю диска М находятся многочисленные копии белка, названного Мot B. Несколько копий белка Мot А, который входит в состав статора, встроены в мембрану и примыкают к краям дисков М и S. Вращающий момент возникает за счет взаимодействия субъединиц Мot B с белковыми субъединицами Мot А, расположенными на статоре электромотора. В состав субъединицы Мot А входят два протонных канала. В результате прохода протонов через белки Мot А и Мot В происходит вращение ротора. За одну секунду бактерия может перемещаться на расстояние, которое в 10 раз превышает ее собственную длину.

Ученые сравнивают базальное тело с мотором автомобилей, при том, что диаметр этого двигателя всего 30 - 40 нм, а эффективность превышает 95%.

Механизм торможения.

На ряду с тем, что механизм движения бактериальных клеток стал понятен для научного мира, принципы торможения еще не были разгаданы, и, как это часто бывает, открыли его случайно.

Ученые-микробиологи, во главе с Крисом Блэром, из Индианы занимались изучением генов, которые побуждают одиночных бактерий Bacillus subtilis объединяться в большие группы и образовывать так называемые биопленки. Если B. subtilis в биопленках будут продолжать движения жгутиком, то их целостность может быть нарушена. Ученые искали гены, которые регулируют изменение активностью жгутика при формированием биопленки. Они установили, что продукт одного из генов – белок EpsE – подавляет движения бактериального «мотора».

«Мы пытались выяснить, как соотносятся способность бактерий двигаться и процесс формирования биопленок. Мы искали гены, которые определяют – двигаться клетке или оставаться в покое. Хотя Bacillus subtilis безвредна, биопленки часто содержат инфекционные и патогенные микроорганизмы. Понимание процесса формирования биопленок может оказаться полезным в борьбе с бактериальными инфекциями», – говорит Крис.

Когда ученые обнаружили, что молекулы EpsE участвуют в прекращении движения жгутика, исследователи предложили два возможных механизма, объясняющих работу EpsE. Один из них соответствовал работе тормоза, когда неподвижная часть соединяется сподвижной и блокирует ее работу. Второй механизм предполагал, что EpsE действует по принципу автомобильного сцепления: отсоединяет одну подвижную часть от другой. В последнем случае жгутик может продолжать вращаться, однако бактерия не будет двигаться вперед.

Чтобы определить, какая из гипотез является правильной, ученые решили пойти по принципу «хвост виляет собакой». Они закрепили свободный конец жгутика на стеклянной пластине и изучали, как будет двигаться бактериальная клетка в присутствии и отсутствии белка EpsE. Когда он отсутствовал, клетка совершала один оборот каждые пять секунд. При наличии EpsE клетка, не совершая регулярных движений, пассивно колебалась под воздействием случайных возмущений окружающей среды.

Исследователи также выяснили, что, когда клетка начинает производить белок EpsE, требуется около 15 минут, прежде чем механизм вращения жгутика отключится.