鞭毛馬達(dá)結(jié)構(gòu)（左）及其工作機(jī)制示意圖

自17世紀(jì)列文虎克第一次觀察到能夠移動(dòng)的細(xì)菌后，細(xì)菌運(yùn)動(dòng)能力及其機(jī)制引起了科學(xué)家的強(qiáng)烈興趣。細(xì)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(xué)家的腦海里，很多科學(xué)家加入這一研究領(lǐng)域，然而很多疑問依然有待解開。

4月20日，《細(xì)胞》雜志刊登浙江大學(xué)生命科學(xué)研究院教授朱永群團(tuán)隊(duì)與醫(yī)學(xué)院教授張興團(tuán)隊(duì)合作研究成果，揭示了沙門氏菌鞭毛馬達(dá)的原子分辨率結(jié)構(gòu)。這是一個(gè)6.3兆達(dá)爾頓（MDa）的超大復(fù)合物，包含了12種不同的蛋白質(zhì)，總共有175個(gè)亞基。通過對(duì)鞭毛馬達(dá)扭矩傳輸機(jī)制的剖析，解開了困惑學(xué)界幾十年的細(xì)菌鞭毛馬達(dá)工作原理難題，揭開了細(xì)菌跑得快的秘密，為抗生素設(shè)計(jì)提供了新思路。

朱永群表示，這項(xiàng)工作是細(xì)菌領(lǐng)域的一個(gè)重要突破，之前很多關(guān)于鞭毛馬達(dá)的推論現(xiàn)在被證明是不對(duì)的。自然界還有一種分子馬達(dá)叫“ATP合成酶”，研究證明鞭毛馬達(dá)的扭矩傳輸機(jī)制完全不同于ATP合成酶，說明自然界分子馬達(dá)工作原理的多樣性，為更好地了解微觀世界的分子發(fā)動(dòng)機(jī)奠定了基礎(chǔ)。

張興說，細(xì)菌鞭毛是一個(gè)精巧復(fù)雜的機(jī)器，是自然界分子進(jìn)化的杰作。這項(xiàng)研究通過對(duì)鞭毛馬達(dá)的結(jié)構(gòu)解析，不僅從原子水平揭示了其工作原理，為納米機(jī)器的研究帶來積極的啟發(fā)意義，也為研究這個(gè)復(fù)雜納米機(jī)器的起源進(jìn)化提供了可靠的結(jié)構(gòu)信息，為生物進(jìn)化理論帶來新的視角。

細(xì)菌與人類等其他生物具有漫長(zhǎng)的生物共進(jìn)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(xì)菌進(jìn)化出了快速“游動(dòng)”的能力。

細(xì)菌這一快速游動(dòng)的能力是基于一個(gè)特殊的運(yùn)動(dòng)器官——鞭毛。鞭毛馬達(dá)旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生動(dòng)力，通過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(zhuǎn)動(dòng)。

鞭毛馬達(dá)是自然界中最復(fù)雜的蛋白質(zhì)機(jī)器之一，它能夠每秒鐘旋轉(zhuǎn)300-2400圈。世界上70%的細(xì)菌都具有鞭毛，之前微生物遺傳學(xué)家和生物化學(xué)家對(duì)鞭毛馬達(dá)進(jìn)行了大量的研究，對(duì)鞭毛馬達(dá)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(jié)構(gòu)。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(dá)，它太大了。”朱永群說。團(tuán)隊(duì)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(jié)構(gòu)的酸堿處理法，設(shè)計(jì)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(dá)與接頭裝置的復(fù)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(tái)，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(dá)結(jié)構(gòu)。

細(xì)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(dá)結(jié)構(gòu)清晰地揭示了其中的奧秘。鞭毛馬達(dá)含有質(zhì)子泵，通過轉(zhuǎn)運(yùn)氫離子，帶動(dòng)質(zhì)子泵的轉(zhuǎn)動(dòng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，繼而將扭矩傳給鞭毛馬達(dá)的內(nèi)膜環(huán)，促使內(nèi)膜環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

內(nèi)膜環(huán)結(jié)構(gòu)非常特殊，它不僅可以旋轉(zhuǎn)和傳輸扭矩，而且是整個(gè)鞭毛馬達(dá)的組裝底座。

正因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的獨(dú)特性以及各個(gè)結(jié)構(gòu)元件之間相互精妙的配合，鞭毛馬達(dá)能將質(zhì)子泵轉(zhuǎn)化而來的機(jī)械能，毫無(wú)損耗地迅速傳給鞭毛絲，促進(jìn)鞭毛絲高速轉(zhuǎn)動(dòng)。細(xì)菌有了如此非凡的“風(fēng)火輪”裝備，進(jìn)而得以快速運(yùn)動(dòng)。

細(xì)菌鞭毛是微生物學(xué)課本的基本內(nèi)容，這項(xiàng)工作終于向人們揭開了其神秘面紗，鞭毛馬達(dá)工作機(jī)制的揭示更具有教科書級(jí)別的科學(xué)意義。

一位評(píng)審專家說，這是一個(gè)里程牌的結(jié)構(gòu)研究工作。另一位評(píng)審專家表示，這是一件杰出的研究工作，它揭示了細(xì)菌鞭毛未知部分的無(wú)與倫比的高分辨率精細(xì)結(jié)構(gòu)和鞭毛馬達(dá)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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