2021年4月20日，Zhu Yongqun教授的我们学校的实验室和Zhang Xing教授的医学院实验室共同发表了一份研究论文，题为“细菌鞭毛运动的结构性基础和扭矩传播”在Cell Magazine上，分析它，分析它原子分辨率的冷冻电子显微镜结构衍生自伤病的自然状态。该结构包含12种不同的蛋白质，总共175个亚基，总分子量超过6.3 MDA。它首次向人们展示了鞭毛电动机的不同组件包括连杆杆，外膜环，周质环，子宫内膜环（MS环）（MS环），分泌设备（出口批准）和关节设备（高分辨率结构（包括挂钩），包括系统地揭示组件和鞭毛电动机的扭矩传输机制首次。

图1。鞭毛运动结构和工作机制的示意图

细菌和其他生物（如人类）在生物共同进化中的进化过程很长。这是一款竞争智慧和勇气，寻求利润和避免伤害的竞争游戏。为了获得丰富的营养，避免被人类免疫系统追逐，并成功找到适合生存和感染的位置，细菌已经进化出了快速“游泳”的能力。您可以在1秒内跑步60次甚至100倍。这是许多细菌具有的运动能力，远远超过了地球上最快的动物猎豹。自从列文尼克首先观察到一种细菌，该细菌可以通过1676年自己设计的显微镜移动，因此细菌运动及其机制引起了研究人员的强烈利益，例如微生物学家，生物化学家和生物物理学家。 。

细菌具有这种运动能力，因为它们具有独特的运动器官 - 鞭毛。细菌鞭毛是一台巨大的纳米机器，在结构上由细菌膜上的电动机，细胞外接头装置（钩子）和鞭毛丝组成，它们跨越细菌的内膜和外膜，并延伸到细菌细胞之外。 。 Flagergar Motor包含质子泵，可通过运输氢离子将化学能转化为机械能。鞭毛电机将扭矩旋转并传输到关节装置，然后转移到鞭毛丝，从而驱动鞭毛丝的旋转。鞭毛丝像螺旋桨一样旋转，将细菌向前推动。

图2：沙门氏菌和鞭毛的示意图

细菌鞭毛电动机本质上是最有效，最复杂的分子发动机，也是最复杂的蛋白质机器之一，能够每秒旋转300-2400圈。由于其高复杂性，鞭毛电动机一直是微生物学，生物化学，生物物理学和结构生物学研究的困难。在过去的几十年中，科学家对鞭毛电动机进行了大量研究，包括预测组件，负污渍观察结构，荧光检测旋转法等，并经常描述了鞭毛电动机，但是它们的详细结构，组装机制和组装机制和如何实现它们。有效的扭矩传输和驱动鞭毛电线到高速操作的工作原理仍不清楚，这是一个问题和挑战，很长一段时间以来在现场尚未解决。

这项研究首先通过同源重组基因敲除鞭毛蛋白及其在沙门氏菌基因组上的CAP蛋白FLID的基因，不包括鞭毛蛋白及其异质性和方法对鞭毛运动纯化的传统酸碱治疗效果。经过大量尝试，设计了一个非常温和的鞭毛电动机纯化步骤，并最终获得了完整而稳定的鞭毛电动机和关节装置复合样品。首先分析了总的鞭毛电动机，使用了智格大学的300 kV冷冻电子显微镜平台 - 3.9？关节络合物的结构，然后在不同部位上进行局部细化，最后进行连锁杆，外膜外围环（LP环），内膜环（MS环），分泌设备（出口批准）和关节设备（钩）的本地分辨率达到3.2？，2.8？，3.6？，3.2？和3.4？反过来。

图3。鞭毛电机的整体结构

这项研究有以下重要发现：

（1）在自然条件下，内膜环（MS环）内部有一个高度对称的错位。内膜环是整个鞭毛电动机的组件基础。它不仅可以旋转，还可以接受质子泵和细胞质环的扭矩，并将扭矩传输到连锁杆（杆）。在实际状态下，MS环对称性长期以来一直存在争议。该文章首先证实，在自然状态下，MS环内部有高对称位错。上部β-领和RBM3区具有C34对称性，底部RBM2区域采用C23对称性，而10个多肽链（5 L1链）延伸出顶部。和5个L2链）。子宫内膜环底部的RBM2区域紧密地堵塞了分泌装置，β-行和RBM3围绕着分泌装置和连锁杆的下端。

（2）分泌设备（出口批准）是连锁杆的组装平台，并确定连锁杆的组装方法。分泌装置由5个翻转亚基，1个Flir亚基和4个FLIQ亚基组成。分泌装置分泌各种鞭毛组件蛋白，逐渐形成连锁杆，然后形成连锁装置和鞭毛细胞外。研究发现，连杆杆通过下端Flie和Flgb的C末端螺旋结构插入了分泌装置的内部空腔中Flie和flgb，以及将翻转和Flir的方式组合在一起，决定了彼此的相互组合。进行FLIE和FLGB的螺旋排列，并且Flip，Flir和Flie和FLGB之间的紧密键在电动机工作时会导致分泌装置和连锁杆一起旋转。

图4。子宫内膜环结构和与连锁杆的相互作用

（3）连锁杆是由46个亚基组成的高度刚性螺旋形结构。以前，科学家使用了同位素标记，质谱和其他方法来试图分析ROD的组成，但是没有明确的结论，某些推论甚至是矛盾的。研究表明，连杆杆是一种非常密集的螺旋杆状结构，由5种蛋白质和46个亚基组成，其中远端杆（远端杆）由24个lgg和5 flgf组成，而近端杆（而近端杆）（近端杆）由6个FLGC，5 flgb和6 flie组成。不同的杆蛋白具有相似的基本特征，但每个特征都有特殊的结构特征。每个亚基都用周围的亚基锁定，以确保整个连杆高度的刚度。特别是，FLGG蛋白的GSS区域形成类似杂草的形状，插入远端杆表面的间隙中，极大地增强了杆。刚度是确保杆的高速旋转和有效的扭矩传输。

（4）内膜环使用10个多肽链，FLIE和FLGB亚基将扭矩传输到连锁杆，从而克服了电动机内部的结构不对称，并意识到扭矩从水平方向转移到垂直方向。连锁杆通过近端11个亚基（6个FLIE和5个FLGB亚基）延伸了6个小螺旋结构和5个环结构（环结构），并牢固地附着在内膜环的内表面上。优越的。反过来，内膜环将延伸10个多肽链（5 L1和5 L2多肽链），紧密地抓住了连锁杆的中间。这种相互作用方法克服了内环结构与连锁杆的螺旋结构之间的结构不对称，并意识到了从水平到垂直方向的扭矩传输的转换。多肽链和内膜环通过不规则的结构区域连接，而6个小螺旋结构和5个环结构也是连接连锁杆近端的不规则结构区域。这些不规则的结构区域不仅可以确保柔韧性，而且还可以作为轨道，从而将扭矩从内膜环传递到连锁杆，然后将密集的刚性连锁杆从近端传输到远端。

（5）外膜环（L环）和周质环（P环）彼此紧密相连，以形成独特的枪管样结构。外膜环由26个FLGH亚基组成，具有双层β-桶结构，顶部的α螺旋水平排列以形成外膜结合区域，而26个FLGH亚基进一步通过N - 末端半胱氨酸。锚定在外膜上。周质环由26个FLGI单体组成，它们具有“ V”形状，由三个域D1，RBM1和RBM2组成。这三个结构域依次构成周质环的上，外部和下部的结构，并相互相互作用。外膜环和周质环通过FLGH和FLGI单体之间的“ 1 vs 4”相互作用紧密结合，形成一个完整的超级稳定的C26对称桶结构（以下是“以下称为“外膜膜 - 毛皮环）” ），即使在鞭毛解聚后，它仍然在外膜上保持稳定。

图5。外部膜 - 周期性环结构和与连锁杆的相互作用

（6）外膜外环使用由静电排斥和恒定氨基酸残基形成的氢键环，以确保连接杆以高速旋转时不会摩擦和能量损失。外膜环和周质环在连杆杆的远端连接。外膜环的内表面充满负电荷，与连锁杆的远端完全相同，该连杆杆的远端也完全负电荷，从而大大降低了外膜环和连锁杆。它们之间的电阻确保了连锁杆的高速旋转。周质环围绕着连锁杆的远端，并与其形成氢键相互作用环。在连锁杆远端形成该氢键相互作用环的所有氨基酸残基都是固定残基，例如谷氨酰胺，谷氨酸，天冬酰胺等，而与该氢键涉及的残基在Periplasmic环上涉及该氢键。这是一种不变的残留物，例如赖氨酸和谷氨酰胺。因此，当连杆杆旋转时，外围环和连锁杆的远端之间的氢键重建不需要能量损失，因此该氢键键像在轴承中的钢珠。球不仅可以确保连杆杆在高速旋转时不会偏离，而且不会在扭矩传输中失去能量。

（7）连锁杆和细胞外关节装置（钩）通过紧密的管状结构连接，以确保连锁杆的扭矩传输到关节装置，从而驱动鞭毛丝的旋转。连接器设备是从蛋白质FLGE组装的。 FLGE的D0-DC，D1和D2结构域分别形成接头装置的三层管结构。关节装置的内部和中间管插入连锁杆远端的两层管中。通过疏水作用和与氢键相关的交织，连接杆和连锁设备紧密连​​接，以确保连锁杆的扭矩传输到接头。关节装置的外管保护内管的结构和外部的中管的结构。由于FLGE单体的D0和DC域很短，并且D2域相对独立，因此接头设备具有一定的灵活性，这有助于连接杆和鞭毛丝之间的灵活过渡。连接器设备的外管结构被电荷相互排斥，连接杆的组件长度与外膜 - 周期性环的静电力一起精确控制。

细菌鞭毛是微生物学教科书的基本内容，这项工作向人们推出了鞭毛电动机的奥秘。鞭毛电动机在独特的结构和各种结构元素之间使用精美的相互合作，迅速将机械能从质子泵转换为鞭毛丝，而不会损失任何损失，从而促进了鞭毛丝的高速旋转，并允许细菌快速移动。一位匿名评论专家说，这是一项巨大的结构性努力。另一位匿名审稿人说，这是一项出色的工作，揭示了细菌鞭毛的最低了解部分的无与伦比的高分辨率精细结构。鞭毛）。

细菌鞭毛电动机的结构和机制的揭示是微生物学领域的重要突破。该研究还发现，鞭毛电动机的扭矩传递机制与自然界中的另一种分子运动ATP合成酶完全不同，该酶在自然界中显示了分子电机的工作原理的多样性。有助于更好地理解微观世界的分子发动机。这项研究还奠定了坚实的基础，并为合成生物学，生物物理学，纳米机器人等提供了新的灵感。

Zhu Yongqun教授和Zhang Xing教授是本文的相应作者。该论文的第一位作者是Gao Haichun教授在Zhu Yongqun的实验室的研究生Wang Xiaofei教授，Xu Caihuang教授和Zhang Xing教授。该合作还参加了生物技术学院高高（Gao Haichun）教授的实验室。和研究员周的实验室。这项研究工作已获得国家密钥研发计划，中国国家自然科学基金会，中国省省自然科学基金会的资金和支持一千人才计划。

原始链接：（21）00430-X