השוטון החיידקי מוסיף להפתיע

מהו הקשר בין המטבוליזם של חומצה פומרית לייצור השוטון החיידקי?

לתנועה של חיידקים יש חשיבות רבה. חיידקים נעים בשתי שיטות: החיידקים המחליקים (gliding bacteria) נעים על משטח מוצק על-ידי הפרשת ריר צמיגי מפתחים מיוחדים בתאיהם, והחלקה על גביו, ואילו לחיידקים הנעים בסביבה מימית יש שוטונים (flagella, וביחיד flagellum).

השוטון הוא מעין מנוע קטן, המסתובב במהירות של כ-15,000 סיבובים בדקה, ומופעל על-ידי זרם של פרוטונים
(יוני H⁺ - כאלף פרוטונים לסיבוב אחד). בעבר חשבו שהשוטון הוא המנוע הקטן ביותר הקיים, אך מאז הסתבר שהאנזים ATPase (המייצר ATP כתוצאה מסיבוב הנגרם על-ידי תנועת פרוטונים), הוא הקטן ביותר (וראו: "מנועים מולקולריים", "מדור החדשות", "גליליאו" 23; "ננו מן הטבע: מכונות ביולוגיות מולקולריות", "גליליאו" 118).

השוטון מורכב מחלבון המכונה פלגלין (Flagellin), ה"נעוץ" במעטפת החיידק באמצעות ארבע טבעות (טבעת L, טבעת P, טבעת MS וטבעת C). בתוך טבעת C ממוקמת ה"קופסה השחורה" המפעילה את השוטון.

תרשים של שוטון, באדיבות ויקיפדיה

סיבוב השוטון אפשרי בשני הכיוונים: נגד כיוון השעון (CCW - counterclockwise - מנקודת מבט חיצונית לחיידק) - שכתוצאה ממנו נע החיידק קדימה במהירות (run), או עם כיוון השעון (CW - clockwise), שכתוצאה ממנו החיידק מסתובב סביב עצמו (מסבסב - tumble).

ברירת המחדל של סיבוב השוטון (בטמפרטורות גבוהות מ-20°C) היא נגד כיוון השעון, ורק כתוצאה של איתות מולקולרי ספציפי הוא הופך את כיוונו לזמן קצר, ואז חוזר לתנועה ישרה, לרוב בכיוון אחר. על פי תנאי הסביבה וחומרים מסוימים בה, המוגדרים כמושכים (attractants) או כדוחים (repellants), "יודע" החיידק לנווט את עצמו לעבר חומרים מושכים ולהתרחק מחומרים דוחים - תופעה המכוּנה כמוטקסיס (chemotaxis).

כיצד שולט החיידק בכיוון הסיבוב? - מסתבר שלשוטון יש מתג המורכב משלושה חלבונים שונים: FliM, FliG ו-FliN. מדובר במערכת מורכבת, שמעורבים בה חלבונים רבים נוספים המתקשרים ביחד ולחוד לחלבוני המתג ומפעילים אותו (הופכים לזמן קצר את כיוון תנועת השוטון). ואולם, עדיין חַסֶר מידע על שרשרת האותות במלואה.

חומצה פומרית (Fumaric acid או פומרט - Fumarate) היא חומר ביניים במעגל קרבס (מעגל חומצת הלימון, שבו עסקנו במדור "החיים בקטן" בגיליון הקודם), המשתתף בתהליך הנשימה האווירנית. הפומרט במעגל קרבס נוצרת מסוקצינט באמצעות האנזים דהידרוגנאז הסוקצינט (Succinate dehydrogenase) והופכת למָלאַט באמצעות האנזים פומַראז
(Fumarase). בתנאים אל-אווירניים הפומרט מומרת לסוקצינט באמצעות האנזים רדוקטאז הפומרט (Fumarate reductase). כמותו של האנזים האחרון יורדת בתנאים אווירניים לכ-4% מכמותו בתנאים אל-אווירניים.

קבוצתו של פרופ' מיכאל אייזנבך (Eisenbach) ממכון ויצמן למדע, החוקרת את בקרת פעילותם של השוטונים בחיידק Escherichia coli כבר שנים רבות, גילתה כבר ב-1992 כי חומצה פומרית הכרחית אף היא לשינוי הכיוון של תנועת השוטון. במעבדה זו נתבררה לאחרונה תגלית חדשה, הרומזת על עוד חלק בפאזל. תלמידת המחקר גלית כהן בן-לולו (Cohen-Ben-Lulu) גילתה שגם האנזים רדוקטאז הפומרט מתקשר למתג (ל-FliG) וכאשר מתקשרת אליו פומרט, מופעל המתג. פעילותו זו של האנזים, מתרחשת (גם?) בתנאים אווירניים. יתרה מזו: במוטנטים חסרי האנזים, לא זו בלבד
שבקרת התנועה של השוטונים נפגעת, אלא הם אינם מיוצרים כלל. בבדיקה מדוקדקת יותר הסתבר שלאנזים רדוקטאז הפומרט תפקיד גם בהרכבת השוטון מחלקיו השונים.

מלבד הרחבת הידע על אופן ההרכבה ופעילותם של השוטונים, מעניינת כאן פעילותו הכפולה של רדוקטאז הפומרט. האם לפעילות השוטון קשור מנגנון אנרגטי שאינו מוכר לנו עדיין?

מימין: חיידק מזן הבר עם שוטוניו; משמאל: מוטנט שחסר את האנזים רדוקטאז הפומרט, ולכן אין לו שוטונים; למטה: מוטנט שחסר את האנזים רדוקטאז הפומרט שהחזירו לו את הגן על פלסמיד, מייצר שוטונים באופן חלקי. באדיבות מכון וייצמן למדע

לקריאה נוספת:

איתי בן-פורת, "מנועים מולקולאריים", "גליליאו" 23, יולי 1997

נגה לבנת ורועי צזנה, "ננו מן הטבע: מכונות ביולוגיות מולקולריות",
"גליליאו" 118, יוני 2008

מיכאל אייזנבך, "בקרת כמוטקסיס בחיידקים", "תצפית" 1, 1998

"זה מסתובב",
"המכון" 51, יוני 2008.

The bacterial flagellar switch complex is getting more complex, Galit N. Cohen-Ben-Lulu, Noreen R. Francis, Eyal Shimoni, Dror Noy, Yaacov Davidov, Krishna Prasad, Yael Sagi, Gary Cecchini, Rose M Johnstone, Michael Eisenbach. The EMBO Journal (2008) 27, 1134-1144.

פורסם במקור ב"גליליאו" גיליון 121, עמ' 18, ספטמבר 2008