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(guān)察到能夠移動(dòng)的細菌后，細菌運動(dòng)能力及其機制引起了科學(xué)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(wèn)盤(pán)繞在科學(xué)家的腦海里，很多科學(xué)家加入這一研究領(lǐng)域，然而很多疑問(wèn)依然有待解開(kāi)。

4月20日，《細胞》雜志刊登浙江大學(xué)生命科學(xué)研究院教授朱永群團隊與醫學(xué)院教授張興團隊合作研究成果，揭示了沙門(mén)氏菌鞭毛馬達的原子分辨率結構。這是一個(gè)6.3兆達爾頓（MDa）的超大復合物，包含了12種不同的蛋白質(zhì)，總共有175個(gè)亞基。通過(guò)對鞭毛馬達扭矩傳輸機制的剖析，解開(kāi)了困惑學(xué)界幾十年的細菌鞭毛馬達工作原理難題，揭開(kāi)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(lǐng)域的一個(gè)重要突破，之前很多關(guān)于鞭毛馬達的推論現在被證明是不對的。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A(yíng)TP合成酶，說(shuō)明自然界分子馬達工作原理的多樣性，為更好地了解微觀(guān)世界的分子發(fā)動(dòng)機奠定了基礎。

張興說(shuō)，細菌鞭毛是一個(gè)精巧復雜的機器，是自然界分子進(jìn)化的杰作。這項研究通過(guò)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(lái)積極的啟發(fā)意義，也為研究這個(gè)復雜納米機器的起源進(jìn)化提供了可靠的結構信息，為生物進(jìn)化理論帶來(lái)新的視角。

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

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

鞭毛馬達是自然界中最復雜的蛋白質(zhì)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(xué)家和生物化學(xué)家對鞭毛馬達進(jìn)行了大量的研究，對鞭毛馬達進(jìn)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(gè)難點(diǎn)就是如何完整地提取鞭毛馬達，它太大了?！敝煊廊赫f(shuō)。團隊經(jīng)過(guò)大量的嘗試，通過(guò)遺傳改造的方法，改變了傳統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(lái)源于沙門(mén)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(xué)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，收集了冷凍電鏡數據，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(gè)鞭毛馬達結構清晰地揭示了其中的奧秘。鞭毛馬達含有質(zhì)子泵，通過(guò)轉運氫離子，帶動(dòng)質(zhì)子泵的轉動(dòng)，將化學(xué)能轉變?yōu)闄C械能，繼而將扭矩傳給鞭毛馬達的內膜環(huán)，促使內膜環(huán)的轉動(dòng)。

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

正因為結構的獨特性以及各個(gè)結構元件之間相互精妙的配合，鞭毛馬達能將質(zhì)子泵轉化而來(lái)的機械能，毫無(wú)損耗地迅速傳給鞭毛絲，促進(jìn)鞭毛絲高速轉動(dòng)。細菌有了如此非凡的“風(fēng)火輪”裝備，進(jìn)而得以快速運動(dòng)。

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

一位評審專(zhuān)家說(shuō)，這是一個(gè)里程牌的結構研究工作。另一位評審專(zhuān)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(wú)與倫比的高分辨率精細結構和鞭毛馬達工作原理。

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


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