Exemplo de flagelos bacterianos sob microscopia eletrônica de transmissão. (Jennifer Tsang/Laboratório Hoover)
Ao observar através de um microscópio de alta tecnologia proteínas congeladas em flash, os pesquisadores acabaram de resolver um mistério de 50 anos de como as bactérias e seu antigo inimigo, archaea, realmente nadam.
Há muito sabemos que eles usam uma pequena ‘cauda’ enrolada chamada flagelo, mas os detalhes de como seu apêndice fibroso forma sua forma enrolada para empurrá-los para frente iludiram nosso entendimento – até agora.
Nas células animais, os flagelos funcionam como as caudas com as quais estamos mais familiarizados – batendo para frente e para trás para impulsionar seus corpos para frente. Mas as células pertencentes às bactérias, e o terceiro domínio da vida, as arqueias unicelulares, têm flagelos em forma de saca-rolhas que não podem gerar impulso por simples movimento de um lado para o outro.
Em vez disso, essas pequenas bobinas giram como uma hélice espigada torcida. Suas bobinas parecem ser capazes de esticar e contrair até certo ponto, semelhante a uma mola, permitindo que os micróbios criem diferentes formas de onda com suas rotações acionadas por motor. As rotações também podem mudar de direção.
Tanto as bactérias quanto os flagelos de archaea são todos compostos pelas mesmas subunidades repetidas da proteína flagelina. No entanto, o tipo de flagelina encontrado na cauda da archaea é mais semelhante ao encontrado em outro tipo de protrusão celular encontrada em bactérias chamadas pili.
O biofísico da Universidade da Virgínia, Mark Kreutzberger, e colegas usaram tomografia crioeletrônica para examinar a estrutura molecular dos filamentos flagelares em um nível quase atômico nas bactérias em forma de bastonete Escherichia coli e archaea Saccharolobus islandicus.
Eles viram que nas bactérias, os filamentos de proteína podem existir em 11 estados diferentes e 10 estados diferentes na archaea. É ter uma mistura desses estados que faz com que a estrutura como um todo se enrole em sua forma enrolada em ambos os micróbios, apesar das diferenças na estrutura da proteína.
A estrutura superenrolada resultante é tão estável que pode suportar tensões de torção, mantendo sua forma enrolada enquanto é girada – isto é, até que o flagelo mude a direção de rotação.
Em E. coli, a natação em linha reta envolve a rotação no sentido anti-horário. Mas quando as bactérias mudam a direção de rotação de sua cauda, as forças impostas aos flagelos alteram sua estrutura, enroscando um ou mais de seus filamentos de seu agrupamento apertado e soltando as superenrolações em uma forma semi-enrolada ou encaracolada.
Isso muda o modo de natação reta do micróbio em um tombo com o giro da cauda agora no sentido horário.
Essas mudanças induzidas pela direção não foram vistas nas archaea, embora alterar suas condições ambientais pela adição de sal ou ácido alterou a estrutura de seus flagelos.
Apesar de suas diferenças na estrutura e de terem evoluído de forma independente, a natureza moldou as bactérias e os flagelos de archaea para terem essencialmente a mesma forma e função – um exemplo claro de evolução convergente.
“Assim como pássaros, morcegos e abelhas, que evoluíram independentemente asas para voar, a evolução de bactérias e arqueias convergiu para uma solução semelhante para nadar em ambos”, explica o bioquímico Edward Egelman, da Universidade da Virgínia.
“Nosso novo entendimento ajudará a pavimentar o caminho para tecnologias que podem ser baseadas em hélices em miniatura.”
Publicado em 05/10/2022 09h09
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