Как живое впервые научилось двигаться? Эволюция создала бактериальный наномотор миллиарды лет назад

Миллиарды лет до того, как человек создал колесо, в микроскопическом мире уже работали роторные двигатели. Каждая плавающая бактерия — это носитель такой наномашины: жгутика, который вращается с большой скоростью, толкая клетку вперед. Настоящий винтовой двигатель, соединенный с мотором.

Откуда он взялся? Сложные системы не появляются из ниоткуда. Эволюция не проектирует с нуля, а приспосабливает уже имеющиеся детали для новых задач. Так какой же природный механизм лег в основу бактериального мотора?

Недавнее исследование проливает свет на эту загадку. Ученые проследили эволюционную историю ключевого компонента этого двигателя — статора MotAB. Это та часть мотора, которая преобразует поток ионов через клеточную мембрану во вращательную силу.

Два клана: родственники, но не близнецы

Чтобы найти предка мотора, исследователи погрузились в геномы сотен видов бактерий. Они искали белки, похожие на MotAB, и вскоре обнаружили, что все они делятся на две большие группы.

Первая группа — это флагеллярные ионные транспортеры (FIT). Это и есть те самые белки, которые работают в составе жгутиковых моторов. Анализ показал, что они сильно похожи друг на друга по своей структуре, даже у далеких видов бактерий.

Вторая группа — общие ионные транспортеры (GIT). Они тоже переносят ионы через мембрану, но не участвуют в движении. Вместо этого они выполняют другие задачи: например, помогают поглощать питательные вещества. В отличие от FIT, эти белки демонстрируют огромное структурное разнообразие.

Картина прояснилась. Похоже, что предком специализированного двигателя был один из таких универсальных транспортеров. Но как из простого насоса получился мотор?

Что делает мотор мотором?

Сравнивая структуру белков из двух групп, ученые выделили несколько ключевых нововведений, которые превратили GIT в FIT. Каждое из них решало конкретную инженерную задачу — создание и передачу крутящего момента.

1. Интерфейс, создающий вращение. Главное отличие белков FIT — это увеличенная цитоплазматическая часть. Именно этот домен, названный интерфейсом генерации крутящего момента (TGI), взаимодействует с подвижной частью мотора (ротором) и заставляет его вращаться. У их предков из группы GIT этот домен гораздо меньше и проще.

Более того, внутри самого клана FIT ученые увидели дальнейшую эволюцию. У более древних моторов TGI состоит из четырех белковых спиралей. У более поздних, как у E. coli, их уже пять.

Чтобы доказать значимость этой детали, был проведен эксперимент. Они взяли бактерию E. coli и удалили из ее белка MotA ту часть, что соответствует этому элементу. В результате бактерии полностью потеряли подвижность. Мотор заглох.

2. Жесткость вместо гибкости. Для эффективной передачи силы нужна жесткая конструкция. Ученые обнаружили это правило и на молекулярном уровне. Одна из спиралей белка, пронизывающая мембрану (TM3), у всех моторных белков FIT представляет собой непрерывную, цельную структуру.

А вот у их не-моторных родственников GIT эта же спираль имеет излом. Такая гибкость, вероятно, полезна для их транспортных функций, но абсолютно непригодна для передачи вращения. Эволюция мотора пошла по пути отбора на механическую прочность.

3. Умный затвор. Двигатель работает на потоке ионов — протонов или ионов натрия. Когда мотор не состыкован с ротором, этот ионный канал должен быть закрыт, чтобы избежать бессмысленной утечки энергии. Эту функцию выполняет особая часть белка MotB, известная как «пробка».

У моторных белков FIT эта пробка и соединяющий ее поводок значительно длиннее и богаты аминокислотой глицином. Глицин придает этой части белковой цепи повышенную гибкость. Это позволяет пробке быстро и точно открывать и закрывать канал при подключении и отключении мотора. У белков GIT этот механизм гораздо проще и короче — им не нужна такая точная и быстрая регуляция.

Путешествие в прошлое с помощью компьютера

Далее исследователи применили метод реконструкции предковых последовательностей.

Они построили детальное эволюционное древо всех этих белков. Затем, двигаясь от современных белков к корню этого древа, компьютерный алгоритм рассчитал наиболее вероятную аминокислотную последовательность их общего предка.

Но одной лишь последовательности мало. Чтобы увидеть машину, нужна трехмерная модель. Так что смоделированную последовательность передали нейросети AlphaFold, которая с высокой точностью предсказала ее пространственную структуру. И эта структура подтвердила гипотезу: предковый белок был гораздо больше похож на простой транспортер GIT, чем на современный мотор FIT. У него был маленький цитоплазматический домен и не было тех ключевых адаптаций для создания вращения.

Это и есть эволюция в действии. Не создание с нуля, а последовательное усовершенствование. Простой ионный транспортер, служивший клетке для питания, получил структурные дополнения. Эти дополнения позволили ему взаимодействовать с другими белками и преобразовывать энергию потока ионов не просто в работу, а в направленное вращение. Так простой насос стал двигателем, который дал бактериям способность перемещаться.

Источник: mBio