Eine neue Studie unter der Leitung von Wissenschaftlern der UNSW Sydney enthüllt, wie das älteste Rad der Natur, das in Bakterien zu finden ist, sich in schwierigen Zeiten selbst reparieren kann.
Die heute veröffentlichten Ergebnisse in Wissenschaftliche Fortschrittezeigen, wie die Geißel – der uralte Motor, der die Schwimmfähigkeit von Bakterien antreibt – diesen winzigen Organismen auch dabei helfen kann, sich an Bedingungen anzupassen, in denen ihre Beweglichkeit beeinträchtigt ist.
Bakterien sind einer der ältesten lebenden Organismen der Erde. Sie sind winzige einzellige Organismen, die in jedem Lebensraum zu finden sind, einschließlich des menschlichen Körpers – wo es mehr Bakterienzellen als menschliche Zellen gibt.
Schwimmen zu können ist entscheidend dafür, wie Bakterien überleben und sich ausbreiten. Es ist jedoch wenig darüber bekannt, wie die Motoren, die ihre Bewegung antreiben, den Organismen helfen, sich an feindliche Umgebungen anzupassen.
Die Forscher der School of Biotechnology and Biomolecular Sciences sind die ersten weltweit, die die CRISPR-Geneditierungstechnologie verwenden, um einen Flagellenmotor zu verändern. Sie verwendeten Techniken der synthetischen Biologie, um einen Natriummotor in das Genom einzubauen, um ein natriumgetriebenes schwimmendes Bakterium zu erzeugen. Anschließend testeten und verfolgten sie die Fähigkeit der Bakterien, sich anzupassen, wenn die Umgebung natriumarm war.
Natrium ist ein Ion, was bedeutet, dass es eine Ladung trägt. Es ist diese Ladung, die den Flagellenmotor über Statoren oder Ionenkanäle antreibt.
Das Team stellte fest, dass die Statoren in der Lage waren, den Flagellenmotor schnell selbst zu reparieren und die Bewegung wiederherzustellen. Diese Erkenntnisse könnten zu neuen Fortschritten in den Bereichen Biologie und Medizin führen.
„Wir haben gezeigt, dass Umweltveränderungen dazu führen können, dass Ionenkanäle schnell reagieren“, sagte der Hauptautor der Veröffentlichung, Dr. Pietro Ridone.
„Die CRISPR-Bearbeitungen kehren also auch schnell zurück, und der Flagellenmotor entwickelt sich und reguliert sich dann selbst“, sagte Dr. Ridone.
„Dass wir Mutationen sofort direkt auf den Statoren gesehen haben, ist überraschend und inspiriert auch viele unserer zukünftigen Forschungspläne auf diesem Gebiet.“
Die Kraft der molekularen Maschinerie
Der menschliche Körper enthält rund 10.000 verschiedene Arten von molekularen Maschinen, die eine Reihe biologischer Funktionen von der Energieumwandlung bis zur Bewegung antreiben.
Die Technologie eines bakteriellen Motors übertrifft bei weitem das, was Menschen im Nanomaßstab synthetisch herstellen können. Mit einem Millionstel der Größe eines Sandkorns kann es sich selbst zusammenbauen und rotiert bis zu fünfmal so schnell wie ein Formel-1-Motor.
„Der Motor, der das Bakterienschwimmen antreibt, ist ein Wunderwerk der Nanotechnologie“, sagte außerordentlicher Professor Matthew Baker, ein Co-Autor der Veröffentlichung. „Es ist das absolute Aushängeschild für alte und sehr hochentwickelte molekulare Maschinen.“
A/Prof. Baker sagte, die Ergebnisse der Studie könnten uns helfen, den Ursprung molekularer Motoren im mechanistischen Detail besser zu verstehen – wie sie zusammenkamen und wie sie sich anpassen.
„Diese alten Teile sind ein leistungsfähiges System, um die Evolution im Allgemeinen sowie die Ursprünge und die Entwicklung der Beweglichkeit zu studieren.“
A/Prof. Baker sagt, dass die Ergebnisse Aufschluss darüber geben werden, wie die synthetische Biologie dazu beitragen kann, neue molekulare Motoren zu schaffen. Die Ergebnisse können auch für das Verständnis der antimikrobiellen Resistenz und der Virulenz von Krankheiten Anwendung finden.
„Indem wir mehr Licht auf die alte Geschichte des Lebens werfen, gewinnen wir Wissen, um Werkzeuge zu schaffen, die helfen können, unsere Zukunft zu verbessern“, A/Prof. sagte Bäcker. „Es kann uns auch zu Erkenntnissen darüber führen, wie sich Bakterien unter zukünftigen Klimawandelszenarien anpassen könnten.“
Mehr Informationen:
Pietro Ridone et al., Die schnelle Entwicklung der Flagellenionenselektivität in experimentellen Populationen von E. coli, Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abq2492