Les chercheurs UVA résolvent un mystère vieux de plusieurs décennies sur la façon dont les bactéries peuvent se déplacer

Des chercheurs de la faculté de médecine de l’Université de Virginie et leurs collaborateurs ont résolu un mystère vieux de plusieurs décennies sur la façon dont E. coli et d’autres bactéries sont capables de se déplacer.

Les bactéries se poussent vers l’avant en enroulant de longs appendices filiformes en forme de tire-bouchon qui agissent comme des hélices de fortune. Mais comment ils font exactement cela a déconcerté les scientifiques, car les “hélices” sont constituées d’une seule protéine.

Une équipe internationale dirigée par Edward H. Egelman, PhD, de l’UVA, un chef de file dans le domaine de la cryo-microscopie électronique de haute technologie (cryo-EM), a craqué l’affaire. Les chercheurs ont utilisé la cryo-EM et une modélisation informatique avancée pour révéler ce qu’aucun microscope optique traditionnel ne pouvait voir : l’étrange structure de ces hélices au niveau des atomes individuels.

Alors que des modèles existent depuis 50 ans sur la façon dont ces filaments pourraient former de telles formes enroulées régulières, nous avons maintenant déterminé la structure de ces filaments avec des détails atomiques. Nous pouvons montrer que ces modèles étaient erronés, et notre nouvelle compréhension aidera à ouvrir la voie à des technologies qui pourraient être basées sur de telles hélices miniatures.”

Edward H. Egelman, PhD, Département de biochimie et de génétique moléculaire de l’UVA

Plans pour les “supercoils” des bactéries

Différentes bactéries ont un ou plusieurs appendices appelés flagelles ou, au pluriel, flagelles. Un flagelle est composé de milliers de sous-unités, mais toutes ces sous-unités sont exactement les mêmes. Vous pourriez penser qu’une telle queue serait droite, ou au mieux un peu flexible, mais cela empêcherait les bactéries de bouger. C’est parce que de telles formes ne peuvent pas générer de poussée. Il faut une hélice rotative en forme de tire-bouchon pour pousser une bactérie vers l’avant. Les scientifiques appellent la formation de cette forme “super-enroulement” et maintenant, après plus de 50 ans, ils comprennent comment les bactéries le font.

En utilisant cryo-EM, Egelman et son équipe ont découvert que la protéine qui compose le flagelle peut exister dans 11 états différents. C’est le mélange précis de ces états qui provoque la formation de la forme en tire-bouchon.

On sait que l’hélice des bactéries est assez différente des hélices similaires utilisées par les organismes unicellulaires copieux appelés archées. Les archées se trouvent dans certains des environnements les plus extrêmes de la Terre, comme dans des bassins d’acide presque bouillants, au fond même de l’océan et dans des gisements de pétrole au plus profond du sol.

Egelman et ses collègues ont utilisé la cryo-EM pour examiner les flagelles d’une forme d’archaea, Sucre islandais, et ont découvert que la protéine formant son flagelle existe dans 10 états différents. Alors que les détails étaient assez différents de ce que les chercheurs ont vu chez les bactéries, le résultat était le même, les filaments formant des tire-bouchons réguliers. Ils concluent qu’il s’agit d’un exemple d'”évolution convergente” – lorsque la nature arrive à des solutions similaires par des moyens très différents. Cela montre que même si les hélices des bactéries et des archées sont similaires dans leur forme et leur fonction, les organismes ont développé ces traits indépendamment.

“Comme pour les oiseaux, les chauves-souris et les abeilles, qui ont tous évolué indépendamment des ailes pour voler, l’évolution des bactéries et des archées a convergé vers une solution similaire pour nager dans les deux”, a déclaré Egelman, dont les travaux d’imagerie antérieurs l’ont vu intronisé à l’Académie nationale. des sciences, l’une des plus hautes distinctions qu’un scientifique puisse recevoir. “Depuis que ces structures biologiques sont apparues sur Terre il y a des milliards d’années, les 50 années qu’il a fallu pour les comprendre peuvent ne pas sembler si longues.”

Résultats publiés

Les chercheurs ont publié leurs découvertes dans la revue scientifique Cellule. L’équipe était composée de Mark AB Kreutzberger, Ravi R. Sonani, Junfeng Liu, Sharanya Chatterjee, Fengbin Wang, Amanda L. Sebastian, Priyanka Biswas, Cheryl Ewing, Weili Zheng, Frédéric Poly, Gad Frankel, BF Luisi, Chris Calladine, Mart Krupovic , Birgit E. Scharf et Egelman.

Le travail a été soutenu par les National Institutes of Health, subventions GM122150 et T32 GM080186 ; Programme de l’unité de travail de la marine américaine 6000.RAD1.DA3.A0308 ; et par une bourse Robert R. Wagner. Le document des chercheurs ne représente pas la politique ou la position officielle du Département de la Marine, du Département de la Défense ou du gouvernement américain.