Seletividade de íons e acoplamento do rotor do flagelar de sódio Vibrio

Nature Communications volume 14, número do artigo: 4411 (2023) Citar este artigo

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As bactérias nadam usando um motor flagelar movido por unidades estatoras. Vibrio spp. são bactérias altamente móveis responsáveis ​​por diversas doenças humanas, cujos flagelos polares são impulsionados exclusivamente por unidades estatoras dependentes de sódio (PomAB). No entanto, como a seletividade iônica é alcançada, como o transporte iônico desencadeia a rotação direcional da unidade do estator e como a unidade do estator é incorporada ao rotor flagelar permaneceu em grande parte obscuro. Aqui, determinamos por microscopia crioeletrônica a estrutura do Vibrio PomAB. O mapa de potencial eletrostático revela locais de ligação de sódio, que juntamente com experimentos funcionais e simulações de dinâmica molecular, revelam um mecanismo para translocação e seletividade iônica. Resíduos hidrofóbicos volumosos do PomA preparam o PomA para rotação no sentido horário. Propomos que um motivo helicoidal dinâmico em PomA regula a distância entre os domínios citoplasmáticos da subunidade PomA, a ativação da unidade estator e a transmissão de torque. Juntos, nosso estudo fornece insights mecanísticos para a compreensão da seletividade iônica e da incorporação do rotor da unidade estator do flagelo bacteriano.

Muitas bactérias giram os flagelos para impulsionar seu movimento. O flagelo é caracterizado por um longo filamento, conectado através de um gancho flexível ao motor rotativo embutido no envelope celular (ou corpo basal), que compreende um rotor e múltiplas unidades estatoras1,2,3,4. A unidade do estator flagelar utiliza a força motriz iônica transmembrana (FMI) para gerar torque mecânico para girar o flagelo, que é empregado por muitas bactérias para direcionar sua locomoção em ambiente líquido ou em superfícies viscosas para um nicho favorável . Acionado pela unidade do estator, o motor flagelar bacteriano pode girar nos sentidos horário (CW) e anti-horário (CCW), com a troca entre as duas direções controlada pela sinalização de quimiotaxia intracelular . As unidades do estator são estritamente necessárias para a rotação do flagelo e, portanto, para a motilidade das bactérias, mas não para a montagem do flagelo . Além disso, as unidades estatoras associam-se e dissociam-se dinamicamente do rotor11,12,13. A alteração do número de unidades estatoras acopladas permite ajustar o torque necessário em relação à carga mecânica14,15,16,17,18.

Cada unidade estator é composta por duas proteínas de membrana montadas como um complexo enterrado dentro da membrana citoplasmática, na qual seus domínios transmembrana se organizam como um canal iônico . A incorporação da unidade estator requer que seu domínio citoplasmático interaja com o rotor e seu domínio periplasmático se fixe à parede celular bacteriana . O torque gerado pela translocação de íons é transmitido ao rotor por meio de interações eletrostáticas na interface estator-rotor . Dependendo dos íons condutores, as unidades do estator podem ser agrupadas principalmente em duas subfamílias: a unidade do estator acionada por H+ (por exemplo, MotAB) e a unidade do estator acionada por Na+ (por exemplo, PomAB)26,27. Além disso, também foram relatadas unidades estatoras que utilizam potássio e íons divalentes, como cálcio ou magnésio, como íons de acoplamento28,29,30,31. Recentemente, estruturas microscópicas crioeletrônicas de partículas únicas (crio-EM) de unidades de estator MotAB acionadas por H + 32,33, estruturas crio-EM de complexos motores flagelares intactos 34,35,36, bem como tomografia crioeletrônica in situ (crio- ET) estudos do motor flagelar21,37,38,39,40, forneceram visões estruturais e funcionais detalhadas da montagem da unidade estator, geração de torque e função motora1. Os dados sugerem fortemente um modelo rotacional para o mecanismo de ação das unidades estatoras. Após a dispersão do FMI, propõe-se que o MotA gire em torno do MotB, que está ancorado na camada de peptidoglicano. Ao interagir com o rotor, a rotação do MotA alimenta a rotação do rotor grande. Um acoplamento diferencial do MotA com o rotor entre os estados CW e CCW do rotor é proposto para formar a base mecanística da comutação.