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

Un nouveau petit ARN (ARNs) favorise la motilité et la virulence de Escherichia coli entérohémorragique O157: H7 en réponse à l'ammonium

Des chercheurs identifient un nouvel sARN (petits ARN régulateurs ou sARN)) chez E. coli O157: H7 qui contribue à la motilité et à la virulence bactériennes en régulant la synthèse flagellaire. Son expression est induite par la forte concentration d’ammonium dans le côlon. L'étude lest parue dans mBio, une revue de l'American Society for Microbiology.

Résumé

Escherichia coli entérohémorragiquede sérotype O157:H7 (O157) est un pathogène intestinal humain critique, d'origine alimentaire, qui provoque une diarrhée hémorragique aiguë grave, des crampes abdominales et même la mort. Les petits ARN (ARNs) sont des molécules régulatrices non codantes qui détectent les changements environnementaux et déclenchent diverses voies de signalisation liées à la virulence; cependant, peu de ces ARNs ont été identifiés dans O157.

Ici, nous rapportons un nouvel ARNs, EsrF qui détecte des concentrations élevées d'ammonium dans le côlon et améliore la pathogénicité de O157 en favorisant la motilité bactérienne et l'adhésion aux cellules hôtes.

Plus précisément, EsrF s'est avéré interagir directement avec la région 5' non traduite de l'ARNm de la flagelline, flhB et augmenter son abondance, régulant ainsi à la hausse de l'expression des gènes flagellaires essentiels, y compris flhD, flhC, fliA et fliC, conduisant à une augmentation de la motilité et de la virulence de O157. Pendant ce temps, un modèle de lapin infantile d'infection à O157 a montré que la suppression de esrF et de flhB atténue considérablement la pathogénicité de O157. En outre, NtrC, le régulateur de réponse du système à deux composants NtrC/B, s'est avéré exercer une régulation directe et négative de l'expression de esrF.

Pendant ce temps, des concentrations élevées d'ammonium dans le côlon libèrent l'effet inhibiteur du NtrC sur esrF, améliorant ainsi son expression et favorisant par la suite la colonisation bactérienne dans le côlon de l'hôte.

Nos travaux révèlent une nouvelle voie de signalisation, centrée sur l'ARNs, liée à la virulence de O157 qui détecte des concentrations élevées d'ammonium. Ces résultats fournissent de nouvelles perspectives pour les recherches futures sur la pathogenèse de O157 et les stratégies de traitement ciblées.

Importance

Le processus par lequel les bactéries détectent les signaux environnementaux pour réguler leur virulence est complexe. Plusieurs études se sont concentrées sur la régulation de l'expression du locus de l'île de pathogénicité d'effacement des entérocytes chez la bactérie pathogène intestinale typique, O157. Cependant, peu d'études ont abordé la régulation d'autres facteurs de virulence en réponse aux signaux intestinaux.

Dans cette étude, nous rapportons notre découverte d'un nouvel ARNs O157, EsrF, et démontrons qu'il a contribué à la motilité bactérienne et à la virulence in vitro et in vivo grâce à la régulation de la synthèse flagellaire bactérienne. En outre, nous montrons que des concentrations élevées d'ammonium dans le côlon induisaient l'expression de esrF pour favoriser la virulence bactérienne en libérant la répression de esrF par NtrC. Cette étude met en évidence l'importance de l'ARNs dans la régulation de la motilité et de la pathogénicité de l'O157.

Quand Campylobacter pratique la natation synchronisée dans l'intestin

Voici une étude qui s’est intéressée à la motilité de Campylobacter jejuni qui intègre une forme cellulaire spécialisée, le filament flagellaire et le moteur sont là pour coordonner l'action de son flagelle opposé.

Des scientifiques révèlent pourquoi des microbes intestinaux sont si doués pour nager dans votre intestin, source Imperial College of London.

Des chercheurs ont résolu le mystère de la raison pour laquelle une espèce de bactérie qui provoque une intoxication alimentaire peut nager plus rapidement dans des liquides plus collants, comme dans l’intestin.

Les résultats pourraient potentiellement aider les scientifiques à stopper les bactéries sur leurs traces, car ils montrent comment la forme du corps de la bactérie et les composants qui l'aident à nager dépendent tous les uns des autres pour fonctionner. Cela signifie que toute perturbation d'une partie pourrait stopper les bactéries de pénétrer dans l'intestin.

Campylobacter jejuni est responsable de millions de cas d'intoxication alimentaire chaque année, et une étape clé de son invasion du corps est de nager à travers la couche muqueuse visqueuse (collante) de l’intestin. Des chercheurs ont observé que C. jejuni nage plus rapidement dans les liquides visqueux que dans les liquides moins visqueux, comme l'eau, mais jusqu'à présent, ils ne savaient pas pourquoi.

Désormais, des chercheurs de l'Imperial College de Londres, de l'Université Gakushuin de Tokyo et de l'Université du Texas Southwestern Medical Center ont filmé C. jejuni en action pour découvrir le mystère. Leurs résultats sont publiés aujourd'hui dans PLOS Pathogens.

Deux moteurs opposés

C. jejuni utilise ses deux queues opposées, appelées flagelles, pour l'aider à se déplacer. Il a un flagelle à chaque extrémité de son corps qui tourne pour se propulser dans le liquide. Cependant, les flagelles opposés ont confondu les scientifiques.

Le co-premier auteur, le Dr Eli Cohen, du Département des sciences de la vie à l'Imperiale College, a dit: « Il semblait très étrange que la bactérie ait une queue aux deux extrémités - c'est comme avoir deux moteurs opposés à chaque extrémité d'un navire. Ce n'est que lorsque nous avons observé les bactéries en action que nous avons pu voir comment les deux queues fonctionnent intelligemment ensemble pour aider les bactéries à se déplacer dans le corps. »

L'équipe a créé des souches de C. jejuni qui ont des flagelles fluorescents et a utilisé la microscopie à haute vitesse pour voir ce qui se passe lors de la nage. Ils ont découvert que pour aller de l'avant, les bactéries enroulent leurs principaux flagelles autour de leur corps en forme d'hélice, ce qui signifie que les deux flagelles pointaient alors dans la même direction et produisaient une poussée unifiée.

Pour changer de direction, ils ont changé les flagelles enroulés autour de leur corps, permettant des virages rapides à 180 degrés et une évasion potentielle des espaces confinés.

Situations collantes

Ils ont également constaté que le processus d'enroulement des flagelles était plus facile lors de la nage dans des liquides visqueux; l'adhésivité aidant à repousser les principaux flagelles autour du corps. Dans les liquides moins visqueux, aucun flagelle n'a pu s'enrouler autour du corps.

Le chercheur principal, le Dr Morgan Beeby, du Département des sciences de la vie de l'Imperial College, a dit: « Notre étude fait d’une pirre deux coups: en cherchant à comprendre comment C. jejuni se déplace, nous avons résolu les paradoxes apparents de la façon dont il nage dans une direction. avec des flagelles opposés et comment il nage plus rapidement dans des liquides plus visqueux. »

« En plus de résoudre certains mystères de longue date, l’étude pourrait également aider les chercheurs à trouver de nouvelles façons de prévenir l'infection par C. jejuni, en ciblant l'une de ses structures interconnectées qui l'aident à se déplacer. »

L’étude a également révélé que la forme hélicoïdale du corps de la bactérie est cruciale pour permettre aux flagelles de s'enrouler autour de lui, montrant comment les deux composants dépendent l'un de l'autre. Cela s'ajoute aux travaux antérieurs de l'équipe montrant comment certaines parties du «moteur» qui entraîne les flagelles sont co-dépendantes, et qu'aucune partie ne fonctionnerait sans les autres.

‘Campylobacter jejuni motility integrates specialized cell shape, flagellar filament, and motor, to coordinate action of its opposed flagella' par Eli J. Cohen, Daisuke Nakane, Yoshiki Kabata, David R. Hendrixson, Takayuki Nishizaka and Morgan Beeby. PLOS Pathogens.