鞭毛馬達結構（左）及其工作機制示意圖

自17世紀列文虎克第一次觀察到能夠移動的細菌后，細菌運動能力及其機制引起了科學家的強烈興趣。細菌是怎么跑得這么快的？它是什么樣的跑法？一連串的疑問盤繞在科學家的腦海里，很多科學家加入這一研究領域，然而很多疑問依然有待解開。

4月20日，《細胞》雜志刊登浙江大學生命科學研究院教授朱永群團隊與醫(yī)學院教授張興團隊合作研究成果，揭示了沙門氏菌鞭毛馬達的原子分辨率結構。這是一個6.3兆達爾頓（MDa）的超大復合物，包含了12種不同的蛋白質，總共有175個亞基。通過對鞭毛馬達扭矩傳輸機制的剖析，解開了困惑學界幾十年的細菌鞭毛馬達工作原理難題，揭開了細菌跑得快的秘密，為抗生素設計提供了新思路。

朱永群表示，這項工作是細菌領域的一個重要突破，之前很多關于鞭毛馬達的推論現(xiàn)在被證明是不對的。自然界還有一種分子馬達叫“ATP合成酶”，研究證明鞭毛馬達的扭矩傳輸機制完全不同于ATP合成酶，說明自然界分子馬達工作原理的多樣性，為更好地了解微觀世界的分子發(fā)動機奠定了基礎。

張興說，細菌鞭毛是一個精巧復雜的機器，是自然界分子進化的杰作。這項研究通過對鞭毛馬達的結構解析，不僅從原子水平揭示了其工作原理，為納米機器的研究帶來積極的啟發(fā)意義，也為研究這個復雜納米機器的起源進化提供了可靠的結構信息，為生物進化理論帶來新的視角。

細菌與人類等其他生物具有漫長的生物共進化過程，為了避免被人類免疫系統(tǒng)追殺，或者為了成功找到適宜的生存和感染的位置，細菌進化出了快速“游動”的能力。

細菌這一快速游動的能力是基于一個特殊的運動器官——鞭毛。鞭毛馬達旋轉并產(chǎn)生動力，通過扭矩傳輸給接頭裝置，然后傳給鞭毛絲，從而帶動鞭毛絲的轉動。

鞭毛馬達是自然界中最復雜的蛋白質機器之一，它能夠每秒鐘旋轉300-2400圈。世界上70%的細菌都具有鞭毛，之前微生物遺傳學家和生物化學家對鞭毛馬達進行了大量的研究，對鞭毛馬達進行了很多描述，然而其工作原理依然很不清楚。

“為了解決這一世界難題，我們希望解析它的高分辨結構。我們碰到的第一個難點就是如何完整地提取鞭毛馬達，它太大了。”朱永群說。團隊經(jīng)過大量的嘗試，通過遺傳改造的方法，改變了傳統(tǒng)極易破壞結構的酸堿處理法，設計出溫和的純化步驟，最終獲得了來源于沙門氏菌的完整的鞭毛馬達與接頭裝置的復合物樣品，并與浙江大學冷凍電鏡中心主任張興教授合作，利用300千伏冷凍電鏡平臺，收集了冷凍電鏡數(shù)據(jù)，首次解析了原子分辨率的鞭毛馬達結構。

細菌為什么能跑得那么快？浙大科研人員解析的這個鞭毛馬達結構清晰地揭示了其中的奧秘。鞭毛馬達含有質子泵，通過轉運氫離子，帶動質子泵的轉動，將化學能轉變?yōu)闄C械能，繼而將扭矩傳給鞭毛馬達的內(nèi)膜環(huán)，促使內(nèi)膜環(huán)的轉動。

內(nèi)膜環(huán)結構非常特殊，它不僅可以旋轉和傳輸扭矩，而且是整個鞭毛馬達的組裝底座。

正因為結構的獨特性以及各個結構元件之間相互精妙的配合，鞭毛馬達能將質子泵轉化而來的機械能，毫無損耗地迅速傳給鞭毛絲，促進鞭毛絲高速轉動。細菌有了如此非凡的“風火輪”裝備，進而得以快速運動。

細菌鞭毛是微生物學課本的基本內(nèi)容，這項工作終于向人們揭開了其神秘面紗，鞭毛馬達工作機制的揭示更具有教科書級別的科學意義。

一位評審專家說，這是一個里程牌的結構研究工作。另一位評審專家表示，這是一件杰出的研究工作，它揭示了細菌鞭毛未知部分的無與倫比的高分辨率精細結構和鞭毛馬達工作原理。

相關論文信息：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00430-X


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