Как устроен молекулярный двигатель бактерий: быстрее, чем маховик Формулы-1 ( 3 фото )

Микроскопические организмы перемещаются в пространстве благодаря уникальному молекулярному устройству — настоящему жгутиковому мотору. Его скорость вращения превосходит маховик гоночного болида, а направление движения меняется в мгновение ока. Спустя пять десятилетий исследований биологи наконец-то поняли, как это работает: природа сконструировала идеальные шестерни, функционирующие на атомном потоке. Это открытие проливает свет на саму механику жизни.

Для бактерии, размер которой составляет всего пару микрон, обычная вода напоминает не жидкость, а густую смолу. Чтобы не увязнуть в этом «дегте», эволюция наделила их жгутиковым мотором. Это полноценный электрический агрегат, раскручивающий хвост-жгутик до нескольких сотен оборотов в секунду.

Этот крошечный механизм толкает клетку вперед на дистанцию, в десять раз превышающую ее собственную длину, всего за одну секунду. Когда поблизости есть пища, бактерия мчится по прямой, но как только ресурсы заканчиваются, мотор включает реверс, заставляя клетку кувыркаться в поисках нового маршрута.

Долгое время приверженцы теории «разумного замысла» указывали на этот мотор как на доказательство того, что столь сложная структура не могла возникнуть случайно. Однако благодаря криоэлектронной микроскопии ученые поэтапно разобрали этот «конструктор». Выяснилось, что в основе двигателя лежит С-кольцо, состоящее из 34 белков. Оно вращается под воздействием статоров — маленьких белковых шестеренок, расположенных снаружи.

У этого двигателя есть и свое топливо. Мотор функционирует на протонной тяге. Клетка постоянно выкачивает положительно заряженные протоны наружу, создавая там их высокую концентрацию. Атомы стремятся вернуться внутрь, и этот поток, проходя через статоры, вращает их, словно воду в мельничном колесе.

Каждую секунду через эти белковые турбины проносится более 2000 протонов. Это и есть та самая «жизненная сила» — электрический ток, питающий все живое. Если этот поток остановится хотя бы на мгновение, бактерия навсегда замрет.

Но как эта махина переключает скорости и направление? Оказывается, у бактерий есть собственная «коробка передач». Когда условия ухудшаются, в клетке активируется химический датчик, и специальный белок CheY присоединяется к мотору. Это запускает цепную реакцию: белки в С-кольце мгновенно меняют свою форму. Весь мотор перестраивается за миллисекунды, шестеренки начинают давить на другую сторону кольца, и вращение меняется с «вперед» на «назад».

Эта удивительная, самособирающаяся, обрабатывающая сигналы и переключающая направление молекулярная машина настолько мощна и одновременно компактна, что спустя миллиарды лет она все еще используется бактериями практически в каждом кишечнике и в каждой луже на Земле.

Крутая штука или слишком сложно для понимания?