Нанодвигатель: как работает мотор, созданный бактериями

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.

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.

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.

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.

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.

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.