Al observar a través de un microscopio de alta tecnología las proteínas ultracongeladas, los investigadores acaban de resolver un misterio de 50 años de antigüedad sobre cómo nadan las bacterias y su antiguo enemigo, las arqueas.
Sabemos desde hace mucho tiempo que usan una pequeña “cola” enrollada llamada flagelo, pero los detalles de cómo su apéndice fibroso forma su forma rizada para empujarlos hacia adelante ha escapado a nuestra comprensión, hasta ahora.
En las células animales, los flagelos funcionan como las colas con las que estamos más familiarizados: golpean de un lado a otro para impulsar sus cuerpos hacia adelante. Pero las células pertenecientes a las bacterias, y el tercer dominio de la vida, unicelular arqueas
En cambio, estas pequeñas bobinas giran como una hélice retorcida y delgada. Sus bobinas parecen poder estirarse y contraerse hasta cierto punto, de forma similar a un slinky, lo que permite a los microbios crear diferentes formas de onda con sus rotaciones impulsadas por motores. Las rotaciones también pueden cambiar de dirección.
Tanto las bacterias como los flagelos de las arqueas están compuestos por las mismas subunidades repetitivas de la proteína flagelina. Sin embargo, el tipo de flagelina que se encuentra en la cola de las arqueas es más similar al que se encuentra en otro tipo de protuberancia celular que se encuentra en las bacterias llamadas cerca
El biofísico de la Universidad de Virginia Mark Kreutzberger y sus colegas utilizaron tomografía crioelectrónica para examinar la estructura molecular de los filamentos flagelares a un nivel casi atómico en las bacterias con forma de bastón Escherichia coli y arqueas azúcar islandés.
Vieron que en las bacterias, los filamentos de proteína podrían existir en 11 estados diferentes y 10 estados diferentes en las arqueas. Es tener una combinación de estos estados lo que hace que la estructura en su conjunto se enrosque en su forma enrollada en ambos microbios, a pesar de las diferencias en la estructura de la proteína.
La estructura superenrollada resultante es tan estable que puede soportar tensiones de torsión, conservando su forma curvada mientras gira, es decir, hasta que el flagelo cambia de dirección de giro.
En E. coli, la natación recta implica una rotación en sentido contrario a las agujas del reloj. Pero cuando la bacteria cambia la dirección de giro de su cola, las fuerzas impuestas sobre los flagelos alteran su estructura, sacando uno o más de sus filamentos de su apretado agrupamiento y aflojando los superenrollamientos en una forma semi-enrollada o rizada.
Esto cambia el modo de natación directa del microbio a una caída con el giro de la cola ahora en el sentido de las agujas del reloj.
Estos cambios inducidos por la dirección no se observaron en las arqueas, aunque cambiar sus condiciones ambientales mediante la adición de sal o ácido alteró la estructura de sus flagelos.
A pesar de sus diferencias en estructura y de que evolucionaron de forma independiente, la naturaleza ha moldeado tanto a las bacterias como a los flagelos de las arqueas para que tengan esencialmente la misma forma y función, un claro ejemplo de evolución convergente.
“Al igual que con las aves, los murciélagos y las abejas, que han desarrollado alas para volar de forma independiente, la evolución de las bacterias y las arqueas ha convergido en una solución similar para nadar en ambos”. explica Edward Egelman, bioquímico de la Universidad de Virginia.
“Nuestra nueva comprensión ayudará a allanar el camino para tecnologías que podrían basarse en tales hélices en miniatura”.
Esta investigación fue publicada en Célula.