Hình ảnh 3D ấn tượng cho thấy các động cơ siêu nhỏ điều khiển vi khuẩn

Anonim

Hình ảnh 3D ấn tượng cho thấy các động cơ siêu nhỏ điều khiển vi khuẩn

Sinh học

Michael Franco

Ngày 31 tháng 3 năm 2016

5 hình

Ba trong số các động cơ thúc đẩy sự vận động của các vi khuẩn khác nhau (Tín dụng: Morgan Beither / Imperial College London)

Khi bạn muốn kết thân với bạn bè hoặc gia đình, rất có thể bạn đang thuê một chiếc xe máy. Điều đó có nghĩa là, bạn có khả năng lên xe hơi hoặc trên một số hình thức giao thông công cộng để đến điểm hẹn. Vi khuẩn thực sự không khác biệt lắm. Chúng có nhiều phương tiện di chuyển khác nhau, nhưng tất cả chúng đều liên quan đến một số loại động cơ sinh học - và những động cơ đó vừa được mô phỏng theo hình ảnh 3D đầy màu sắc và ấn tượng bởi các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ California (Caltech).

Để hình ảnh các micromotors, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một kỹ thuật được gọi là kỹ thuật điện tử học điện tử. Điều này liên quan đến việc đóng băng các tế bào vi khuẩn nhanh đến mức các phân tử nước mà chúng chứa không có thời gian tự sắp xếp thành các tinh thể băng. Khi các tế bào bị khóa trong cấu trúc ban đầu của chúng theo cách này, một kính hiển vi điện tử đã được sử dụng để chụp một loạt các hình ảnh 2D sau đó được lắp ráp theo cách mà hình ảnh 3D kỹ thuật số của các động cơ xuất hiện. Kỹ thuật này là bước đột phá, với báo cáo của Caltech rằng đây là lần đầu tiên máy móc thiết bị sinh học của vi khuẩn được tạo hình 3D.

"Vi khuẩn được coi là tế bào 'đơn giản ', tuy nhiên, giả định này là sự phản ánh những hạn chế của chúng tôi, không phải của chúng, " Grant Jensen, giáo sư sinh lý học và sinh học của Caltech nói. Trước đây, chúng ta chỉ đơn giản là không có công nghệ có thể tiết lộ toàn bộ vinh quang của nanadderines - những phức hợp khổng lồ bao gồm nhiều bản sao của một tá hoặc nhiều protein độc đáo - thực hiện các chức năng tinh vi. "

Làm việc với các đồng nghiệp ở Mỹ, Anh và Đức, Jensen và nhóm của ông đã tạo ra hai loại động cơ vi khuẩn khác nhau.

Đầu tiên, được báo cáo trong số ra ngày 11 tháng 3 của Khoa học, là từ một loại vi khuẩn đất có tên là Myxococcus xanthus và được gọi là máy IVus pilus loại (T4PM). Cơ chế này cho phép vi khuẩn di chuyển bằng cách gửi ra một sợi dài gọi là pilus. Sợi này bám vào một bề mặt và sau đó vi khuẩn tự quay về phía trước dọc theo dây buộc.

Để làm sáng tỏ các chi tiết tốt đẹp của cơ chế này, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một loạt các tế bào đột biến, mỗi tế bào thiếu một thành phần khác nhau của T4PM, sau đó chúng so sánh với các vi khuẩn nguyên vẹn để chúng có thể lập bản đồ cơ chế. Trong các quan sát của họ, họ thấy rằng T4PM bao gồm bốn vòng liên kết với nhau. Họ cũng thấy rằng nó khá mạnh mẽ.

"Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã tiết lộ sự phức tạp tuyệt đẹp của cỗ máy này có thể là động cơ mạnh nhất được biết đến trong tự nhiên. Máy cho phép M. xanthus, một loại vi khuẩn săn mồi, di chuyển qua một cánh đồng để tạo thành một '' bầy sói 'với người khác Các tế bào M. xanthus và cùng nhau săn lùng các vi khuẩn khác để bắt mồi, "Jensen nói.

Động cơ sinh học thứ hai được chụp bởi nhóm Caltech liên quan đến một động cơ điều khiển lá cờ - một động cơ đẩy giống như roi nhỏ - mà họ quan sát thấy ở một số vi khuẩn khác nhau.

Họ đã phát hiện ra rằng có những động cơ bên trong vi khuẩn được tạo ra từ protein làm biến đổi biểu mô. Hơn nữa, các cấu trúc protein này thường được tìm thấy khá xa so với cột cờ, có nghĩa là chúng có thể tạo ra mô-men xoắn đáng kể. Nó giống như một cánh quạt nhỏ trên một chiếc thuyền đánh cá, so với một chiếc lớn trên du thuyền. Công việc của họ với các động cơ Flagellum đã được xuất bản trong số ra ngày 29 tháng 3 của tạp chí PNAS .

"Hai nghiên cứu này thiết lập một kỹ thuật để giải quyết các cấu trúc hoàn chỉnh của các phức hợp phân tử lớn tại chỗ hoặc bên trong các tế bào nguyên vẹn, " Jensen nói. "Kỹ thuật siêu âm điện tử của chúng tôi là một giải pháp tốt vì nó có thể được sử dụng để xem xét toàn bộ tế bào, cung cấp một bức tranh hoàn chỉnh về kiến ​​trúc và vị trí của các cấu trúc này. "

Để xem chính xác làm thế nào pili giúp di chuyển vi khuẩn cùng với phương pháp móc vật lộn bằng động cơ của chúng, hãy xem video này.

Nguồn: Caltech

Động cơ điều khiển lá cờ của vi khuẩn Campylobactor, vi khuẩn phổ biến nhất gây viêm dạ dày ruột trên toàn thế giới (Tín dụng: Morgan Bewise / Imperial College London)

Ba trong số các động cơ thúc đẩy sự vận động của các vi khuẩn khác nhau (Tín dụng: Morgan Beither / Imperial College London)

Một mô hình Lego của một cột cờ (trên cùng) và động cơ điều khiển nó (bên dưới) (Tín dụng: Morgan Bewise / Imperial College London)

Động cơ cung cấp năng lượng cho lá cờ ở vi khuẩn Salmonella nổi tiếng (Tín dụng: Morgan Beither / Imperial College London)

Hình ảnh này cho thấy hình ảnh cận cảnh của động cơ quay đuôi của vi khuẩn Vibro, có thể bị nhiễm bệnh do ăn hải sản bị ô nhiễm (Tín dụng: Morgan Beither / Imperial College London)