研究人员解决了细菌决策的关键组成部分的结构

对于游泳的细菌，确定是继续前进还是朝着新的方向前进对于生存至关重要。一项新的研究提供了分子机器的原子级细节，允许游泳细菌感知其环境并在需要时改变方向。eLife杂志报道的这项研究代表了理解“细菌大脑”的重要一步，伊利诺伊大学物理学教授Klaus Schulten说，他领导了这项新研究。

“从表面上看，一种细菌有数千种能够扫描环境然后告诉它该做什么的受体，”他说。这非常类似于所有动物必须处理的感官输入。他说，当然，细菌是单细胞生物，没有大脑。但他们仍然设法组织并“记住”感官信号足够长的时间，以帮助他们自己生存的方式回应他们。

细菌细胞表面的受体检测光，化学物质，食用物和有毒物质，并将这些信息传递给更深层的蛋白质，称为激酶，它们解释这些数据并将其转化为一个简单的选择：“继续前进”或“改变方向!”

如果做出后一个决定，激酶会将一种强效的化学信号 - 一种磷酸盐 - 转移到第二种激酶(称为CheY(主要原因))，然后分离出来，找到通往鞭毛的途径并激活导致鞭毛的过程。扭转他们的旋转。

Schulten说：“这会使细菌摔倒并进入一个新的随机方向，这可能比以前的方向更好。”

以前的研究已经对分子机器的结构产生了重要的见解，这种分子机器协调了这一壮举，即化学感应阵列。细菌细胞内外表面的电子显微镜提供了一些线索和结晶学 - 这一过程包括将纯化的蛋白质堆积成晶体，以便测量它们的三维特征 - 提供其他的。但EM快照的模糊分辨率为解释留下了很大的空间，晶体只能解析阵列组成蛋白的一小部分。

研究的共同作者，匹兹堡大学的实验家Peijun Zhang，通过开发一种技术来净化阵列中的关键蛋白质，并将它们以恰当的比例组合，使它们自己组装成薄层，从而帮助这项工作。 D EM其结构构象和相互作用的快照。这大大提高了数据的分辨率。

为了解决化学感应阵列的问题，Schulten和他的同事使用了分子动态柔性拟合，这是Schulten在伊利诺伊州开发的实验室的计算机建模方法。MDFF模拟系统中每个原子的化学相互作用，并利用EM，晶体学和其他实验数据的结构知识。这种大规模的建模和仿真需要超级计算机的重量，为此，该团队在美国国家超级计算应用中心使用Blue Waters。

这项新研究揭示了构成化学感应阵列的蛋白质之间的关键化学相互作用，并为这些蛋白质的行为提供了新的见解。例如，它首次揭示了一种名为CheA(KEY aye)的激酶区域，在研究人员称之为“浸渍”的运动中，改变了其相对于其他蛋白质的方向。进一步的实验表明，这部分激酶对于允许细菌对其环境作出反应并改变方向的过程是必不可少的。

“该领域的一个重要问题是：信号如何从受体传递到激酶?实际发生了什么?” 舒尔顿说。“它必须是一个动作。它不可能是其他任何东西。但是什么样的动作呢?”Schulten说，需要做更多的工作来确定系统所有组成部分的关系和行为，但新的研究代表了理解的一个重要收获。他将发现过程与第一次遇到机械钟的人进行了比较。“要知道这个机械系统是如何工作的，我们需要知道结构，”他说。“一旦我们打开时钟，看看齿轮如何组合在一起，那么我们就可以开始考虑时钟的实际工作方式。细菌大脑的齿轮现已到位。”