حل معمای ۵۰ ساله؛ دانشمندان نحوه حرکت باکتری‌ها را کشف کردند

باکتری‌ها از تاباندن زائده‌های بلند و نخ‌مانند خود به‌شکل فنر، به‌عنوان نوعی پروانه برای حرکت استفاده می‌کنند؛ ولی اینکه چطور این کار را انجام می‌دهند، ذهن دانشمندان را مشغول کرده بود؛ زیرا این پروانه‌ها فقط از یک نوع پروتئین ساخته شده‌اند.

تیمی بین‌المللی با هدایت دکتر ادوارد اِگِلمَن از دانشگاه ویرجینیا که از سرآمدان دانش میکروسکوپ الکترونی کرایو (cryo-EM) است، از این راز پرده برداشتند. این پژوهشگران با استفاده از cryo-EM و مدل سازی‌های پیشرفته‌ی کامپیوتری آنچه نمی‌توان با میکروسکوپ‌های نوری رایج دید، مشاهده کردند: ساختار ناشناخته‌ی این پروانه‌ها در سطح اتمی. اگلمن می‌گوید:

درحالی‌که از ۵۰ سال پیش مدل‌هایی برای توضیح نحوه‌ی ایجاد شکل‌های فنری از این رشته‌ها وجود داشت، اکنون ما ساختار این رشته‌ها را در جزئیات اتمی شناسایی کرده‌ایم. اکنون می‌دانیم که مدل‌های پیشین اشتباه بوده‌اند و درک جدید ما مسیر را برای فناوری‌هایی که می‌توانند از این پروانه‌های مینیاتوری استفاده کنند، هموار خواهد کرد.

کپی‌هایی از سوپرکویل‌های باکتری‌ها

باکتری‌های مختلف یک یا چند زائده به نام تاژَک (فلاژِل) دارند. هر تاژک از هزاران زیرواحد تشکیل شده است؛ ولی همه‌ی این زیرواحد‌ها دقیقاً مشابه یکدیگر هستند. ممکن است فکر کنید این دُم‌ها صاف یا در بهترین حالت کمی منعطف هستند؛ اما در این صورت باکتری نمی‌تواند حرکت کند؛ زیرا چنین شکلی نمی تواند رانش ایجاد کند. تاژک‌ها با پیچش به‌شکل چوب‌پنبه‌بازکن در‌می‌آیند تا باکتری را به جلو هدایت کنند. دانشمندان به این حالت «سوپِرکُویل» می‌گویند و اکنون پس از ۵۰ سال، دریافته‌اند که باکتری‌ها چطور این کار را انجام می‌دهند.

اگلمن و تیمش با استفاده از crayo-EM دریافتند که پروتیئن سازنده‌ی تاژک می‌تواند در ۱۱ وضعیت مختلف وجود داشته باشد. ترکیب دقیق این حالت‌ها عامل ایجاد شکل‌های فنرمانند است. دانشمندان از پیش می‌دانستند که این پروانه‌ها در باکتری‌ها بسیار متفاوت از پروانه‌های مشابه در جانداران تک‌سلولی دیگری به نام باستانیان (آرکیا) هستند. باستانیان در برخی از دشوارترین محیط‌های زمین، مانند حوضچه‌های اسیدی جوشان و بستر اقیانوس‌ها و ذخایر نفتی در اعماق زمین زندگی می‌کنند.

اگلمن و همکارانش از میکروسکوپ الکترونی کرایو برای بررسی تاژگ‌های گونه‌ای از باستانیان (Saccharolobus islandicus) استفاده کردند و دریافتند پروتئین سازنده‌ی تاژک در ۱۰ وضعیت مختلف وجود دارد. درحالی‌که جزئیات مشاهده‌شده‌ی پژوهشگران با آنچه در باکتری‌ها دیده می‌شود، بسیار متفاوت بود، نتیجه یکسان بود و این رشته‌ها نیز شکل‌های فنری می‌ساختند.

دانشمندان دریافتند که این نمونه‌ای از «فرگشت همگرا» است؛ زمانی‌که طبیعت از مسیر‌های متفاوت به راه‌حلی مشابه می‌رسد. این نشان می‌دهد که با وجود شباهت پروانه‌ها در باکتری‌ها و باستانیان از نظر شکل و عملکرد، این جانداران این صفات را مستقل از یکدیگر تکامل داده‌اند.

اگلمن می‌گوید: «مانند پرنده‌ها و خفاش‌ها و زنبور‌ها که هریک مستقل از دیگری بال‌هایی برای پرواز تکامل دادند، باکتری‌ها و باستانیان نیز به راه‌حل‌های یکسانی برای شنا کردن رسیده‌اند.» گفتنی است او برای فعالیت‌های تصویربرداری پیشین خود به افتخارِ عضویت در آکادمی ملی علوم ایالات متحده آمریکا نایل شده است. اگلمن می‌افزاید: «این ساختار‌های زیستی میلیارد‌ها سال پیش روی زمین ظاهر شدند و ۵۰ سالی که برای درک آن‌ها صرف‌شده، چندان طولانی به‌نظر نمی‌رسد.»

اگلمن و همکارانش یافته‌های خود را در نشریه Cell منتشر کرده‌اند.