Lorsque des agents pathogènes envahissent un hôte humain, ils ont besoin d'une capacité maximale à se déplacer dans le corps lorsqu'ils naviguent dans des environnements défavorables et provoquent une infection. Leur capacité à se percer dans un environnement semblable à un gel est souvent rendue possible grâce à la rotation d'une machine ondulée en forme de queue connue sous le nom de flagelle.

La façon dont les bactéries se déplacent, survivent et provoquent des infections dans le corps a fasciné les scientifiques, mais les rôles de certains acteurs clés impliqués dans le mécanisme de la motilité sont encore mal compris. Maintenant, pour la première fois, les chercheurs de Yale ont visualisé une structure annulaire unique qui stabilise le moteur du flagelle et améliore le mouvement bactérien. Les chercheurs ont publié leurs découvertes dans Proceedings of the National Academy of Sciences le 7 mars.

Les flagelles propulsent les bactéries dans le corps

"Les flagelles des bactéries doivent générer un couple élevé pour les aider à se déplacer dans leur environnement", explique Jun Liu, Ph.D., professeur au Département de pathogenèse microbienne et à l'Institut des sciences microbiennes, et auteur principal de l'étude. "Nous avons trouvé une structure qui est une pièce du puzzle, nous aidant à comprendre pourquoi certaines bactéries peuvent nager et se disséminer dans divers environnements hôtes pour provoquer une infection."

Le flagelle a trois composants :le moteur, le crochet et le filament. La rotation du filament permet aux bactéries de se déplacer dans leur environnement. Le moteur intégré dans la membrane cellulaire bactérienne tourne, tout comme un moteur de voiture tourne sous le capot du véhicule, pour entraîner le mouvement du filament à l'extérieur.

Ce moteur contient une grande structure connue sous le nom d'anneau en C, qui nécessite l'assistance de structures dynamiques plus petites appelées stators pour tourner. Lorsqu'une bactérie doit se déplacer, elle recrute des stators dans l'anneau C, où ils subissent un changement de conformation et s'allongent. Ensuite, la force du flux d'ions hydrogène à travers les canaux du stator entraîne la rotation de l'anneau en C, qui à son tour entraîne la rotation du moteur et du filament.

"Avant, nous ne savions pas exactement ce que faisaient les stators pour faire tourner le moteur", explique Shuaiqi Guo, Ph.D., chercheur associé et premier auteur de l'étude. En 2020, l'équipe a découvert que les stators subissaient non seulement un changement de conformation, mais tournaient également, comme des engrenages entraînant la courroie d'un moteur. Ces structures minces et flexibles doivent tourner très rapidement, et sans stabilisation, cette rotation rapide introduirait une instabilité dans l'ensemble du moteur. Les membres du laboratoire Liu voulaient comprendre comment les stators restaient en place lorsqu'ils tournaient, et dans leurs dernières études, ils ont découvert que cette capacité était rendue possible par une protéine appelée FliL.

"Cette protéine est très mystérieuse sur le terrain depuis trente ans", explique Guo. "C'est très important pour la motilité bactérienne dans des environnements complexes, mais les scientifiques ont débattu avec passion de sa fonction et de sa structure."

Cryo-EM à Yale révèle la propulsion flagellaire

Pour mieux comprendre le rôle de FliL dans la motilité flagellaire, l'équipe a utilisé une technique appelée cryo-tomographie électronique. La technologie a fourni une vue rapprochée à haute résolution des flagelles de Borrelia burgdorferi, responsable de la maladie de Lyme, et de Helicobacter pylori, responsable de l'ulcère de l'estomac. Ils ont découvert que les protéines FliL, qui sont également en forme d'anneaux, sont responsables du maintien des stators en place. Les anneaux FliL individuels, a découvert l'équipe, sont importants pour l'assemblage et la stabilisation de chacun des seize stators autour de l'anneau en C. Ils ont également découvert que la suppression génétique de cette protéine altère gravement la capacité des bactéries à se déplacer. "FliL est une partie importante de la boîte de vitesses du flagelle qui permet au moteur de tourner", explique Guo. "Sans ce composant, c'est comme s'il manquait une vis à la boîte de vitesses et le moteur s'effondre lorsqu'il tourne rapidement."

La motilité est essentielle à la capacité des bactéries à provoquer des maladies. Si les bactéries ne peuvent pas se déplacer dans le corps, les infections dangereuses sont beaucoup moins probables. Les chercheurs espèrent continuer à approfondir leurs connaissances sur la façon dont les bactéries se déplacent et provoquent des maladies, dans le but ultime de concevoir des thérapies qui inhibent le mouvement bactérien. Une meilleure compréhension de la motilité peut également aider les scientifiques à développer des techniques efficaces d'administration de médicaments. "Si nous connaissons tous les composants de la machine qui aident les bactéries à se déplacer, nous pouvons essayer de les concevoir et de les utiliser pour des applications médicales", déclare Guo.

"Nous avons fait des progrès progressifs dans la compréhension de cette machine fascinante", déclare Liu. "Nous espérons continuer à travailler là-dessus pendant des décennies pour résoudre l'évolution unique des flagelles de différentes bactéries. Nous venons de toucher la pointe de l'iceberg pour comprendre cette belle structure."