Investigadores de la Facultad de Medicina de la Universidad de Virginia y sus colaboradores han resuelto un misterio de décadas sobre la capacidad de movimiento de E. coli y otras bacterias.

Las bacterias se impulsan hacia adelante enrollando unos apéndices largos y filiformes en forma de sacacorchos que actúan como hélices improvisadas. Pero cómo lo hacen exactamente ha desconcertado a los científicos, porque las «hélices» están formadas por una sola proteína.

Un equipo internacional dirigido por Edward H. Egelman, de la Universidad de Virginia (UVA), líder en el campo de la criomicroscopía electrónica de alta tecnología, ha descifrado el caso. Los investigadores utilizaron la microscopía avanzada, a veces llamada crio-EM, y el modelado informático avanzado para revelar lo que ningún microscopio de luz tradicional podía ver: la extraña estructura de estas hélices a nivel de átomos individuales.

Foto Mark A.B. Kreutzberger et al.

Mientras que durante 50 años han existido modelos sobre cómo estos filamentos podrían formar esas formas enrolladas regulares, ahora hemos determinado la estructura de estos filamentos en detalle atómico, dijo Egelman, del Departamento de Bioquímica y Genética Molecular de la UVA. Podemos demostrar que estos modelos eran erróneos, y nuestra nueva comprensión ayudará a allanar el camino para las tecnologías que podrían basarse en estas hélices en miniatura.

Las distintas bacterias tienen uno o varios apéndices conocidos como flagelos. Un flagelo está formado por miles de subunidades, pero todas ellas son exactamente iguales. Se podría pensar que una cola así sería recta, o como mucho un poco flexible, pero eso dejaría a la bacteria sin poder moverse. Eso es porque tales formas no pueden generar empuje. Se necesita una hélice giratoria en forma de sacacorchos para empujar una bacteria hacia adelante. Los científicos llaman a la formación de esta forma «superenrollamiento» y ahora, después de más de cinco décadas, entienden cómo lo hacen las bacterias.

Utilizando la crio-EM, Egelman y su equipo descubrieron que la proteína que compone el flagelo puede existir en 11 estados diferentes. Es la mezcla precisa de estos estados lo que hace que se forme la forma de sacacorchos.

Bacterias de la salmonela | foto dominio público en Wikimedia Commons

Se sabe que la hélice de las bacterias es muy diferente a las hélices similares que utilizan los organismos unicelulares resistentes llamados arqueas. Las arqueas se encuentran en algunos de los entornos más extremos de la Tierra, como en charcos de ácido casi hirviendo, en el fondo del océano y en depósitos de petróleo en las profundidades del suelo.

Egelman y sus colegas utilizaron la crio-EM para examinar los flagelos de una forma de arquea, Saccharolobus islandicus, y descubrieron que la proteína que forma su flagelo existe en 10 estados diferentes. Aunque los detalles eran bastante diferentes de los que los investigadores vieron en las bacterias, el resultado era el mismo, con los filamentos formando sacacorchos regulares. Concluyen que se trata de un ejemplo de «evolución convergente», cuando la naturaleza llega a soluciones similares por medios muy diferentes. Esto demuestra que, aunque las hélices de las bacterias y las arqueas son similares en forma y función, los organismos evolucionaron esos rasgos de forma independiente.

Al igual que ocurre con los pájaros, los murciélagos y las abejas, que han evolucionado de forma independiente las alas para volar, la evolución de las bacterias y las arqueas ha convergido en una solución similar para la natación en ambos, dijo Egelman, cuyo trabajo previo de obtención de imágenes le hizo entrar en la Academia Nacional de Ciencias, uno de los mayores honores que puede recibir un científico. Dado que estas estructuras biológicas surgieron en la Tierra hace miles de millones de años, los 50 años que hemos tardado en comprenderlas no parecen tan largos.


Fuentes

University of Virginia | Mark A.B. Kreutzberger et al, Convergent evolution in the supercoiling of prokaryotic flagellar filaments, Cell (2022). DOI: 10.1016/j.cell.2022.08.009


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