Wenn Sie von Motoren sprechen, denken die meisten Menschen an die Antriebfahrzeuge und menschlichen Maschinen. Biologische Motoren existieren jedoch seit Millionen von Jahren in Mikroorganismen. Unter diesen haben viele bakterielle Arten schwanzähnliche Strukturen-genannt Flagellen-, die sich umdrehen, um sich in Flüssigkeiten zu treiben. Diese Bewegungen verwenden Proteinkomplexe, die als „Flagellarmotor“ bekannt sind.
Dieser Flagellenmotor besteht aus zwei Hauptkomponenten: dem Rotor und den Statoren. Der Rotor ist eine große rotierende Struktur, die an der Zellmembran verankert ist und das Flagellum dreht. Andererseits sind die Statoren kleinere Strukturen, die „Ionenwege“ enthalten, die je nach Spezies Protonen oder Natriumionen passen können. Wenn geladene Partikel durch einen Stator gehen, werden strukturelle Veränderungen erfasst, die gegen den Rotor drücken, was dazu führt, dass es sich dreht. Obwohl sich viele Studien auf die Statoren konzentriert haben, bleiben die genaue Struktur und die Mechanismen der Ionenwege schwer fassbar.
Vor diesem Hintergrund analysierte ein Forschungsteam unter der Leitung des Assistenzprofessors Tatsuro Nishikino vom Nagoya Institute of Technology den Flagellarmotor bei Bakterienarten Vibrio alginolyticus. Andere Mitglieder des Teams waren Norihiro Takkawa und Katsumi Imada von der Osaka University, Jun-ichi Kishikawa vom Kyoto Institute of Technology und Seiji Kojima von der Nagoya University. Ihre Ergebnisse wurden in veröffentlicht in Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften Am 30. Dezember 2024.
Die Forscher verwendeten Kryo-Elektronenmikroskopie (CryoEM), eine leistungsstarke Technik, die hochauflösende Bilder von Biomolekülen aufnimmt, indem sie sie schnell einfrieren und mit einem Elektronenmikroskop abgebildet haben. Verwenden von Kryoem auf normalem und gentechnisch veränderten V. AlginolyticusDas Team nahm Schnappschüsse von Statorkomplexen in verschiedenen Zuständen auf und identifizierte wichtige molekulare Hohlräume für Natriumionen.
Basierend auf den Ergebnissen schlug das Team ein Modell vor, das beschreibt, wie Natriumionen durch den Stator fließen. Kurz gesagt, die Untereinheiten, die die Statoren in Vibrio alginolyticus bilden, die in einem Ring angeordnet sind, wirken als Größenbasis, die die Aufnahme von Natriumionen-aber nicht anderen Ionen-in die identifizierten Hohlräume ermöglichen. Die Forscher bestimmten auch die Mechanismen, durch die Phänamil, ein Ionkanalblocker, den Fluss von Natriumionen durch den Stator hemmt.
Die Ergebnisse dieser Studie könnten wichtige medizinische Auswirkungen haben. „Flagellarbasierte Bewegung ist an Infektionen und Toxizität einiger Arten pathogener Bakterien beteiligt. Eine Motivation hinter dieser Studie bestand darin „Bemerkungen Tatsuro.
Darüber hinaus könnten Kenntnisse über Flagellenmotoren zu innovativen Designs für mikroskopische Maschinen führen. „Flagellarmotoren sind molekulare Nanomaschinen mit einem Durchmesser von ungefähr 45 nm und einer Energieumwandlungseffizienz von ungefähr 100%. Unsere Ergebnisse sind ein großer Schritt, um ihre Mechanismen der Drehmomentgeneration zu klären, die für die Technik nanoskaliger Molekularmotoren wesentlich wäre.“ Schließt Tatsuro ab.
