Движение с помощью вращающихся жгутиков является одной из доминирующих форм подвижности в царстве бактерий.
Вращение жгутика обеспечивается вращательным устройством, называемым жгутиковым мотором. Модуляция направления или скорости вращения жгутика может изменить направление миграции клетки в трехмерном пространстве. Поэтому неудивительно, что многие виды бактерий модулируют функции жгутиков, чтобы плыть к благоприятным местам обитания. Миграция вверх или вниз по градиенту внеклеточных лигандов, известная как хемотаксис, оказывает мощное влияние на вероятность успешного вторжения, колонизации и выживания хозяина (Kollmann et al., 2005; Lertsethtakarn et al., 2011).
Хемотаксис осуществляется благодаря соединению двухкомпонентного сигнального пути и жгутиков. Хеморецепторы обнаруживают изменения концентрации внеклеточных лигандов и реагируют на них, контролируя уровень активности гистидиновой киназы CheA. В свою очередь, CheA модулирует фосфорилирование CheY. CheY-P - это свободно диффундирующая цитоплазматическая молекула, которая взаимодействует со жгутиковым мотором, модулируя его функцию.
У Escherichia coli дефосфорилирование CheY-P ускоряется фосфатазой CheZ, которая локализуется в основном на рецепторах, а у некоторых бактерий, таких как Bacillus subtilis, структурный компонент (FliY) в самом моторе способствует дефосфорилированию CheY-P. У многих хемотаксических видов существует несколько гомологов CheY, которые проявляют сложные взаимодействия с мотором. У E. coli один CheY модулирует переключение жгутиков: связывание CheY-P с основанием жгутикового мотора способствует вращению по часовой стрелке в моторе, вращающемся против часовой стрелки. Модуляция направленного переключения приводит к возникновению схемы движения "бег-кувырок", которая составляет основу хемотаксиса у E. coli. Кроме того, некоторые метаболиты могут взаимодействовать непосредственно с мотором и модулировать переключение направления движения независимо от CheY (Yang et al., 2020; Gupta et al., 2022).
Когда бактерия плывет вверх или вниз по градиенту лиганда, изменяющаяся концентрация лиганда смещает активность CheA от ее базового значения. Такая реакция может привести к перенасыщению ответа, если активность CheA не сбросится. Сброс, называемый адаптацией, опосредуется двумя ферментами - метилтрансферазой (CheR) и метилэстеразой (CheB). CheR и CheB метилируют и деметилируют рецепторы для точной адаптации активности CheA и, следовательно, уровня CheY-P. Точная адаптация уровня CheY-P помогает поддерживать постоянную активность переключения в моторе на базальном уровне, несмотря на колебания химической среды. Постоянная адаптация и поддержание базальной активности переключения, измеряемой как доля времени, в течение которого мотор вращается по часовой стрелке, помогает клетке сохранять способность реагировать на новые стимулы. Таким образом, адаптация имеет решающее значение для хемотаксиса.
Помимо подвижности и хемотаксиса, жгутиковый мотор выполняет еще одну функцию, называемую механосенсингом. Флагеллярный механосенсинг позволяет клетке обнаруживать изменения в механической среде, ощущая изменения вязкого сопротивления (вязкой нагрузки) вращению жгутикового мотора (Lele et al., 2013). Механосенсинг, по-видимому, имеет решающее значение для бактерии, когда она чувствует свою адгезию к твердым поверхностям. В свою очередь, жгутики и другие придатки, такие как пили, вероятно, вызывают регуляторные изменения генов или посттрансляционные модификации, которые помогают клетке вести образ жизни, связанный с поверхностью, такой как роение или биопленка.
Недавние работы выявили тесную связь между жгутиковым механосенсингом, адаптацией и хемотаксисом (Antani et al., 2021a). В данном обзоре мы обсудим возможные механизмы этой связи и то, как она, вероятно, приводит к возникновению проприоцепции - способности организма ощущать свое положение и скорость в пространстве - у бактерий. В заключение мы сделаем краткое замечание о последствиях бактериальной проприоцепции для колонизации бактериями поверхностей.
Жгутик состоит из внеклеточной нити, соединенной с трансмембранным роторным двигателем с помощью крючка, который служит универсальным шарниром. Жгутиковый мотор состоит из ротора и статора; последний передает крутящий момент на первый, чтобы вызвать вращение. Крутящий момент генерируется несколькими статорными единицами, которые могут объединяться и разъединяться с мотором в зависимости от нескольких факторов. Для создания крутящего момента статорные узлы обычно используют протонно-двигательную силу, хотя могут использоваться и альтернативные источники ионно-двигательной силы. Статорный комплекс функционирует как механосенсор, воспринимая изменения вязкого сопротивления вращению двигателя - также известного как вязкая нагрузка - и адаптируется структурно и функционально в ответ на увеличение нагрузки (Lele et al., 2013; Chawla et al., 2017).
Склонность жгутиков поддерживать постоянную активность переключения при изменяющихся вязких нагрузках, вероятно, имеет решающее значение для того, чтобы перитриховые виды бактерий, такие как E. coli, могли бегать и кувыркаться даже при сборке новых жгутиков. Когда формируется новый жгутик, длина нити изначально очень мала, и новый мотор испытывает низкую нагрузку. По мере роста нити мотор испытывает все большую вязкую нагрузку. Без настройки чувствительности растущие нити перестанут переключаться, как только нить достигнет определенной длины. Тот же принцип применим и к полярно жгутиковым видам; по мере роста филаментов полярные моторы должны адаптироваться к возрастающей нагрузке, чтобы продолжать совершать пробеги и развороты. Поэтому механочувствительное связывание CheY-P, вероятно, является широко распространенным явлением.
Настройка чувствительности к стимулам в ответ на механический стресс широко распространена в высших организмах. Например, проприоцептивная обратная связь в двигательных нейронах, обеспечивающих работу мышц ног у насекомых, помогает поддерживать максимальную чувствительность к различным механическим нагрузкам. Это позволяет организму сохранять позу и хватку при ходьбе по полу или потолку. В более широком смысле проприоцепция - это способность организма ощущать свои движения и/или положение в пространстве. Знакомым примером может служить футболист, определяющий скорость движения мяча, чтобы точно перехватить его в трех измерениях. У бактерий нет сложных сенсорных систем и центральной нервной системы. Тем не менее, связь между механочувствительными статорами, CheY-P и выходом системы хемотаксиса обеспечивает бактериям, по сути, проприоцептивные способности.
Бактериальная проприоцепция, вероятно, помогает клетке ощущать собственное положение относительно поверхности и адгезию к ней. Она также обеспечивает хемотаксис, когда клетки сталкиваются с вязкой средой, такой как слизистые слои, покрывающие кишечник, или гелеобразные среды. Таким образом, клетка может адаптировать свои жгутиковые функции для продолжения хемотаксиса, что важно для колонизации поверхности (Tamar et al., 2016).
Однако пределы механочувствительной адаптации могут быть превышены в определенных сценариях. Например, в роящихся колониях уровень CheY-P настолько низок, что вероятность переключения значительно снижается, несмотря на любые адаптации (Ford et al., 2018; Partridge et al., 2019). Мы предполагаем, что такая потеря способности к переключению может запускать сигнальные события, направленные на поддержание роевого состояния колонии. Хотя механосенсинг статора и механочувствительное связывание CheY-P были в центре внимания данного обзора, возможно, что аналогичная проприоцептивная связь существует между статорами и другими функциональными регуляторами мотора. В таком случае проприоцепция может регулировать множество других эффектов развития, включая формирование биопленки, возможно, путем модуляции уровней вторичных мессенджеров (Boyd and O'toole, 2012; Webster et al., 2022).
