Stichting FOM
Meer informatie
Contactperso(o)n(en): Gabby Zegers
13 oktober 2009
Moleculaire motor schakelt door mechanische terugkoppeling
Onderzoekers van het FOM-instituut AMOLF hebben een wiskundig model
ontwikkeld dat tot in detail kan verklaren waarom de moleculaire motor
die de zweephaar van een bacterie aandrijft een sterke voorkeur heeft
om na een vaste periode van draairichting te wisselen. Dit schakelen
van de motor blijkt niet alleen gestuurd te worden door
boodschappermoleculen, zoals tot nu toe werd aangenomen, maar ook door
de mechanische terugkoppeling van de zweephaar op de motor. De
onderzoekers publiceren hun resultaten volgende week in het
tijdschrift Molecular Systems Biology. Ondanks vele patenten is de
mens niet het enige organisme dat gebruikmaakt van motoren.
Verschillende soorten bacteriën, waaronder de in onze dikke darm
woonachtige Escherichia colibacterie, bewegen zich voort met behulp
van zweepstaartjes, elk aangedreven door zijn eigen minuscule
elektromotor. Terwijl de structuur van de motor grotendeels bekend is,
wordt over de werking nog veel gespeculeerd. In recente experimenten
is het schakelgedrag van de motor voor het eerst nauwkeurig bestudeerd
en op basis daarvan is nu een wiskundig model ontwikkeld dat zowel het
draaien als het schakelen van de motor beschrijft.
Figuur 1. Moleculaire schakelaar
vergroten Figuur 1. Moleculaire schakelaar
De bacteriële motor bestaat uit een aantal statoreiwitten dat een ring
van eiwitten genaamd de rotor aandrijft; de rotor kan zowel links- als
rechtom draaien en stuurt de zweephaar (flagellum) aan. Uit recente
experimenten is gebleken dat de motor een sterke voorkeur heeft om na
een vaste periode van 0,2 tot 0,3 seconden van draairichting te
wisselen. Onderzoekers van het FOM-instituut AMOLF hebben een model
ontwikkeld voor het draaien en schakelen van de motor waarmee ze laten
zien dat het af- en opwikkelen van de zweephaar verantwoordelijk is
voor deze voorkeursschakeltijd.
Bacteriemotoren
Een bacteriemotortje heeft twee versnellingen: een vooruit en een
achteruit. Wanneer alle motoren in hun vooruit staan vormen de
zweepstaartjes een bundel die de bacterie voortstuwt. Wanneer de
zwemrichting niet bevalt, bijvoorbeeld door een afnemende hoeveelheid
voedsel, zorgen boodschappermoleculen ervoor dat een of meerdere
motoren even in hun achteruit worden gezet met als gevolg dat de
desbetreffende zweepharen de bundel verlaten en de bacterie een
tuimeling maakt. De bacterie zwemt vervolgens verder in de toevallige
richting waarin hij is uitgekomen. De motoren van de bacterie zijn
populaire onderzoeksobjecten, niet alleen omdat ze zo onwaarschijnlijk
klein zijn - de rotor (het ronddraaiende gedeelte) bestaat uit een
ring van slechts 26 eiwitmoleculen - maar ook omdat de efficiëntie van
de motor vrijwel 100% is. De energiebron van de motor bestaat uit
protonen die continu de cel in worden gestuwd door een verschil in
zuurtegraad. De statorelementen van de motor (de stilstaande delen)
veranderen van vorm door het binden van de protonen en duwen zo de
rotor rond. Ook de rotoreiwitten kunnen van vorm veranderen; dit
correspondeert met het schakelen van de motor tussen de vooruit- en de
achteruitversnelling.
Het schakelen van de motor
In recente experimenten werd verrassenderwijs gevonden dat de motoren
een sterke voorkeur hebben om te schakelen na een vaste periode van
0,2 tot 0,3 seconden. Onderzoekers van het FOM-instituut AMOLF hebben
een wiskundig model ontwikkeld dat deze observatie tot in detail kan
verklaren. Een belangrijke voorspelling van het model is dat de motor
een grotere kans heeft van draairichting te veranderen wanneer er een
grotere externe kracht op wordt uitgeoefend. Deze ingrediënt, in
combinatie met de elastische eigenschappen van de zweephaar, is
volgens de onderzoekers verantwoordelijk voor de karakteristieke
schakeltijd van de motor. Wanneer de motor net van richting is
veranderd, begint de spiraalvormige zweephaar zich aanvankelijk af te
wikkelen, en neemt de kracht op de motor af. Vervolgens wikkelt de
zweephaar zich echter op in de nieuwe richting en neemt de kracht, en
daarmee de kans om van richting te veranderen, toe. Na 0,2 tot 0,3
seconde is de kracht op de motor dusdanig groot geworden dat de motor
snel weer van richting verandert. Het schakelen van de motor wordt dus
niet alleen gestuurd door boodschappermoleculen, zoals tot nu toe werd
aangenomen, maar ook door de mechanische terugkoppeling van de
zweephaar op de motor.
Voor de redactie:
Referentie
'The switching dynamics of the bacterial flagellar motor', Siebe van
Albada, Sorin Tanase-Nicola, en Pieter Rein ten Wolde, Molecular
Systems Biology http://www.nature.com/msb/
Contact
Pieter Rein ten Wolde, telefoon 020 - 754 72 81,
Melissa van der Sande, telefoon 020 - 754 72 34.