Quimiotaxia: a prova de que células tem “sentidos”

Neutrophil chasing a bacteriumDavid Rogers – Vanderbilt University (1953)

Pfeffer, 1880’s; Adler, 1960’s

diffusion from the capillary mouth sets up the chemoeffector gradient;

cells travel up-gradient to the mouth of the capillary, then enter by random swimming

attractants are sugars, amino acids, dipeptides – there are also repellents

Bactérias também exibem quimiotaxia

soft agar assay of E. coli chemotaxis

behavioral tasks:locomotiongradient detectiondecision-makinglocomotor control

“swim plate”metabolism-generated

attractant gradients

water-filled tunnels

Comportamento de bactérias tem propriedades semelhantes ao de organismos superiores

1. Bactérias exibem adaptação: após um tempo, param de responder a um estímulo contínuo. Respondem a variações na concentração de substâncias, não a concentrações absolutas

2. Bactérias possuem memória: a resposta de uma bactéria a um certo estímulo depende da história daquela célula

3. Bactérias são indivíduos, cada um com sua personalidade: a resposta a estímulos segue uma tendência, mas varia significativamente de célula para célula.

Quimiotaxia requer:

1)Detecção de um gradiente2)Processamento da informação3)Controle locomotor

Como E. coli se locomove

Como é o circuito de processamento de sinais

Como este circuito é capaz de detectar um gradiente e exibir propriedades como memória, adaptação e amplificação de sinal

A propulsão de E. coli é feita pela rotação de filamentos helicoidais

Flagelos:4-6 por célula20 um por 50 nmFeitos por cerca de 40 proteínas

O flagelo bacteriano: uma obra-prima da nanotecnologia

Crédito: Protonic NanoMachine Group, Graduate School of Frontier Biosciences, Osaka University.

design• propeller• universal joint• bushings• rotor & stator

performance• 20,000 RPM• proton driven

• ~10-16 watts (10-18 hp)• >80% efficiency• bidirectional

the bacterial rotary flagellar motor

flagellumantibody

“Cell tethering” permite ver a rotação do flagelo

Howard Berg

Pfeffer, 1880’s; Adler, 1960’s

diffusion from the capillary mouth sets up the chemoeffector gradient;

cells travel up-gradient to the mouth of the capillary, then enter by random swimming

Bactérias também exibem quimiotaxia

Períodos de nado (runs) alternados com períodos de mudança de direção (tumbles): E. coli exibe “random walk”

http://www.mit.edu/~kardar/teaching/projects/chemotaxis(AndreaSchmidt)/

E. coli motility: running + tumbling = random walk

Rotação anti-horária

Rotação horária

Estado basal (sem substâncias estimulantes)Runs de 1 s alternadas com tumbles de 0.1 s.

gradient tracking via biased random walk

gradient detection:

• temporal (~3" memory)

• high sensitivity (~0.1% ∆C/C)

• wide dynamic range (5-6 logs)

• stimulus integration

Heading up-gradient reduces the likelihood of the next tumble, extending

travels in the favorable direction.

Atrator faz flagelo ficar mais tempo rodando no sentido anti-horário (CCW). Reduz a probabilidade de um “tumble”.

Como bactérias percebem um gradiente ?

Gradiente exponencialDistância de decaimento = 20 mm

2 m10.000 10.001

Elas percebem a variação temporal !

wild-type(Tar+ Tsr+)

aspartate-blind (Tar-)

nonchemotactic (Che-)

serine ring

aspartate ring

serine-blind (Tsr-)

nonmotile (Fla-, Mot-)

genetic dissection of E. coli chemotaxis

tryptone,32°C, 8 hr.

Os atores da via de sinalizaçãoReceptores – MCP (methyl-accepting chemotaxis proteins)

Histidina-quinases e seus RR parceiros

George H. Wadhams and Judith P. ArmitageNature Reviews Molecular Cell Biology 5, 1024-1037

O nariz da E. coli

Maddock & Shapiro, 1993

Receptores modulam rotação flagelar através de um grupo comum de proteínas sinalizadoras

CheA/CheW (signal generation);CheY/CheZ (motor control);CheB/CheR (sensory adaptation)

(e.g., attractant increase ==> CCW rotation)

CheA

W

CheY

CheY

ATP ADPP

P

Pi

CW

O circuito de sinalização da quimiotaxia

(default CCW)

MCP

MCP – receptorCheA – Histidina quinaseCheY – Regulador de respostaCheW – proteína adaptadoraCheZ – fosfatase

CheZ

http://www.seoulin.co.kr/Up/index-chemotaxis.html

Todo sistema sensorial precisa ser capaz de sofrer “adaptação”

CheA

W

CheY

CheY

ATP ADPP

P

Pi

CWCheR

+CH3

CheB

CheB

P

Pi

O circuito de sinalização da quimiotaxia

Adaptação

-CH3

-CH3-CH3

CheZ

-CH3

Adaptação impede que o sistema “sature”

Padrão de metilação dos receptores representa a “memória” da bactéria

Maddock & Shapiro, 1993

Sourjik & Berg, 2000

Amplificação de sinal do sistema

Quimiotaxia exibe altíssima sensibilidade: ~0.1% ∆C/C

1% de variação na ocupação de receptores causa 35% de variação na atividade de CheA

Amplificação ou “ganho” parecem ser consequência do agrupamento físico de receptores em agregados polares

Amplificação de sinal envolve interações receptor-receptor

Bray et al., 1998 Ligação de atrator a um receptor afetaria a atividade quinásica de CheA associada a diversos receptores vizinhos.Agregado de receptores funcionaria como uma grande enzima alostérica.

working model of chemoreceptor signaling array

figure adapted from Bray (2003)

Few if any other signal transduction pathways are known with such completeness and in such detail ... so that bacterial chemotaxis became a honey pot for modelers.

Bray, 2002

http://emonet.biology.yale.edu/agentcell/

Pequeno pode ser sofisticado…