Il est impossible de nager plus vite que Salmonella ?

La structure en cryo-microscopie électronique du complexe bactérien flagellaire moteur-crochet

«Des scientifiques de ZJU découvrent le mystère du moteur flagellaire bactérien», source Université du Zhejiang.

De nombreuses bactéries sont capables de nager 60 ou même 100 fois leur propre longueur en une seconde. Cette mobilité surpasse constamment le guépard, l'animal le plus rapide de la planète. Depuis que Van Leeuwenhoek, connu comme le père de la microbiologie, a observé pour la première fois des bactéries mobiles au 17e siècle, la mobilité bactérienne et ses mécanismes ont suscité de nombreux intérêts de recherche. De nombreux microbiologistes, biochimistes et biophysiciens ont engagé leurs études dans ce domaine, mais de nombreuses questions restent insaisissables.

Récemment, TAN Jiaxing et al. du Life Sciences Institute de l'Université du Zhejiang et de l'Ecole de médecine ont déterminé une structure en cryo-microscopie électronique (cryo-EM) à résolution atomique du moteur flagellaire bactérien complexé avec le crochet, à l'état assemblé à partir de Salmonella Typhimurium. Cette étude fournit des informations moléculaires détaillées sur la structure, l'assemblage et les mécanismes de transmission du moteur flagellaire. Il dévoile le mystère de la nage bactérienne et de la mobilité grouillante, et présente de nouvelles stratégies pour le développement d'antibiotiques. Ces résultats ont été publiés dans Cell le 20 avril.

La motilité des bactéries est basée sur un organite protéique spécial, le flagelle. De nombreuses bactéries sont porteuses d'un ou plusieurs flagelles. La structure du flagelle est composée de trois parties distinctes: le moteur, le crochet et le filament. Le flagelle est également une arme importante dans la pathogenèse bactérienne.

Le moteur flagellaire est l'une des machines à protéines les plus complexes et il peut tourner à des vitesses de plusieurs centaines à plus de mille tours par seconde. En raison de sa complexité, le moteur flagellaire est un sujet très difficile dans les études de biochimie et de biologie structurale.

«Pour relever ce défi, nous avons cherché à résoudre sa structure haute résolution. Il est très difficile de purifier le moteur flagellaire bactérien. C'était trop gros!» a ditle Dr ZHU Yongqun, le chef de projet.

Pour éviter les effets des filaments flagellaires sur la purification du moteur, ils ont manipulé génétiquement le génome de Salmonella Typhimurium. La souche mutante pourrait normalement produire le moteur et le crochet sans le filament. Après de nombreuses tentatives, les scientifiques ont conçu une procédure de purification douce pour les particules motrices et ont obtenu avec succès le complexe flagellaire intact moteur-crochet. Ils ont ensuite collecté les images de cryo-EM par un microscope électronique FEI Titan Krios fonctionnant à 300 kV, et ont résolu la structure de résolution atomique du complexe flagellaire moteur-crochet dans leur collaboration avec le Dr ZHANG Xing, directeur du Cryo-EM Center de l'Université du Zhejiang.

Comment le moteur flagellaire est assemblé et effectue la transmission de couple pour la rotation rapide du flagelle est une question de longue date. La structure révèle que les protéines de tige dans le moteur font des interactions intersubunitaires étendues via leurs éléments structurels distinctifs, et forment une structure compactée avec une rigidité élevée pour que la tige permette à la réception du couple de l'anneau MS et la transmission du couple au crochet. Dix peptides dépassant de l'anneau MS avec les sous-unités FlgB et FliE de la tige assurent la transmission de couple de l'anneau MS à la tige et surmontent le décalage de symétrie entre les structures rotatives et hélicoïdales du moteur. L'anneau LP entre en contact avec la tige distale et applique des forces électrostatiques pour soutenir sa rotation et sa transmission de couple au crochet sans obstacles structurels importants ni consommation d'énergie.

Le flagelle est l'un des contenus du manuel de base de la microbiologie. Cette étude représente une avancée marquante dans le domaine. Dans le processus d'examen par les pairs de l'article, un examinateur a commenté, «la structure cryo-EM représente un effort structurel monumental». Un autre examinateur a mentionné que «ce travail est exceptionnel et donne une résolution sans précédent sur certaines des parties les moins comprises du flagelle». L'étude indique également la diversité des mécanismes de transmission de couple des machines à protéines rotatives naturelles, et fournit des conseils structurels et des informations pour les recherches connexes sur la biologie synthétique, la biophysique et les nanomachines.

La structure du complexe flagellaire moteur-crochet et son modèle de fonctionnement