Motor Flagellar: Bagaimana bakteri mencapai efisiensi energi hampir 100%

Gambar mikroskop elektron mengungkapkan struktur dan mekanisme penting dalam mesin molekuler yang digunakan bakteri tertentu untuk propulsi.

Saat membahas motor, kebanyakan orang memikirkan mereka yang ada di dalam kendaraan atau mesin. Namun, motor biologis telah ada selama jutaan tahun dalam mikroorganisme. Banyak bakteri menggunakan struktur seperti ekor yang disebut flagella, yang berputar untuk mendorongnya melalui cairan. Gerakan ini didorong oleh kompleks protein yang dikenal sebagai motor flagellar.

Motor flagellar memiliki dua komponen utama: rotor dan stator. Rotor, struktur berputar besar berlabuh ke membran sel, menggerakkan gerakan flagel. Para stator, struktur yang lebih kecil di sekitar rotor, mengandung jalur ion yang mengangkut proton atau ion natrium, tergantung pada bakteri[{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>species. As these charged particles pass through, the stators undergo structural changes that exert force on the rotor, causing it to spin. While extensive research has focused on the stators, the exact structure and function of their ion pathways remain unclear.

A Closer Look at the Flagellar Motor in Vibrio alginolyticus

Against this backdrop, a research team led by Assistant Professor Tatsuro Nishikino from Nagoya Institute of Technology analyzed the flagellar motor in the bacterial species Vibrio alginolyticus. Other members of the team included Norihiro Takekawa and Katsumi Imada from Osaka University, Jun-ichi Kishikawa from Kyoto Institute of Technology, and Seiji Kojima from Nagoya University. Their findings were published in Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America on December 30, 2024.

https://www.youtube.com/watch?v=nlipmoshlb0
Video ini menyajikan penelitian di mana, menggunakan mikroskop cryo-elektron, para peneliti menentukan struktur dan mekanisme komponen kunci dalam motor flagellar, yang digunakan bakteri untuk mengubah flagella dan bergerak. Kredit: Tatsuro Nishikino dari Nagoya Institute of Technology

Para peneliti menggunakan cryo-electron microscopy (Cryoem), teknik yang kuat yang menangkap gambar resolusi tinggi biomolekul dengan membekukannya dengan cepat dan memesannya dengan mikroskop elektron. Menggunakan cryoem pada normal dan dimodifikasi secara genetis V. alginolyticustim mengambil snapshot kompleks stator di berbagai negara bagian dan mengidentifikasi rongga molekul utama untuk ion natrium.

Berdasarkan hasilnya, tim mengusulkan model yang menggambarkan bagaimana ion natrium mengalir melalui stator. Taruh secara singkat, subunit yang membentuk stator di Vibrio alginolyticusdiatur dalam cincin, bertindak sebagai filter berbasis ukuran yang memungkinkan asupan ion natrium-tetapi bukan ion lain-ke dalam rongga yang diidentifikasi. Para peneliti juga menentukan mekanisme di mana fenamil, blocker saluran ion, menghambat aliran ion natrium melalui stator.

Model yang diusulkan aliran ion natrium

Temuan penelitian ini dapat memiliki implikasi medis yang penting.

“Gerakan berbasis flagellar terlibat dalam infeksi dan toksisitas beberapa spesies bakteri patogen. Salah satu motivasi di balik penelitian ini adalah menemukan cara untuk menonaktifkan bakteri seperti itu dengan membatasi gerakan mereka. Dengan demikian, memahami mekanisme molekuler motilitas flagellar akan menjadi kunci untuk mencapai ini, ”komentar Tatsuro.

Selain itu, pengetahuan tentang motor flagellar dapat mengarah pada desain inovatif untuk mesin mikroskopis. “Motor flagellar adalah nano molekuler dengan diameter sekitar 45 nm dan efisiensi konversi energi sekitar 100%. Temuan kami adalah langkah besar untuk mengklarifikasi mekanisme generasi torsi mereka, yang akan sangat penting bagi rekayasa nano motor molekuler, ”simpul Tatsuro.

Mari kita berharap studi lebih lanjut mengklarifikasi semua detail mesin alami yang luar biasa ini!

Referensi: “Wawasan Struktural ke jalur ion natrium di stator flagellar bakteri dari Marinir Vibrio”Oleh Tatsuro Nishikino, Norihiro Takekawa, Jun-ichi Kishikawa, Mika Hirose, Seiji Kojima, Michio Homma, Takayuki Kato dan Katsumi Imada, 30 Desember 2024, Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
Doi: 10.1073/pnas.2415713122