揭秘细菌超速运动：沙门氏菌鞭毛马达原子结构解析与扭矩传输机制研究

您可以在1秒钟内运行60倍的身体长度。这是许多细菌的运动能力，远远超过了地球上最快的动物猎豹，即使是高速导轨也无法实现。

自从列文尼克（Levinhoek）首先观察到可以在17世纪移动的细菌以来，细菌运动及其机制引起了科学家的强烈兴趣。细菌如何运行如此之快？哪种运行方式？哪种设备可以驱动如此快速的运动速度？运动的力量如何传递？科学家的思想以及许多微生物学家，生物化学家，生物物理学家等都加入了一系列问题，加入了这个研究领域，但是仍然需要解决许多问题。

最近，Zhejiang大学生命科学学院的Zhu Yongqun教授和Zhang Xing教授的团队共同揭示了沙门氏菌鞭毛运动的原子分辨率结构。通过分析鞭毛电动机的扭矩传输机制，它解决了数十年来学术界的混乱。细菌鞭毛电动机的工作原理揭示了细菌快速运行的秘诀，并为抗生素设计提供了新的想法。

该研究杂志发表在4月20日北京时代启动的《国际顶级杂志》中。该论文的相应作者是Zhu Yongqun教授和Zhang Xing教授，第一批作者是博士生Tan Jiaxing，Zhang Xing教授和博士后Wang Xiaofei博士生Xu Caihuang。 Gao Haichun教授的生物技术学院实验室和研究员Zhou Yan的实验室也参加了合作。

细菌有一个技巧

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来“改善食物”，避免被人类免疫系统追逐，或者成功找到适合生存和感染的位置，细菌已经进化了快速“游泳”的能力。

细菌快速游泳的能力基于特殊运动器官-Failla。鞭毛是一种细长的长丝，它是从细菌内部生长的，由细菌膜上的电动机，细胞外接头装置和鞭毛细丝组成。鞭毛电机旋转并产生电源，该电源通过扭矩传输到关节装置，然后转移到鞭毛丝，从而驱动鞭毛细丝的旋转。鞭毛丝像螺旋桨一样旋转，将细菌像潜艇一样向前推动。

沙门氏菌鞭毛的示意图

鞭毛电动机是本质上最复杂的蛋白质机器之一，它可以每秒旋转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和热点。世界上有70％的细菌患有鞭毛，这是细菌的基本器官之一，也是细菌引起疾病的关键武器。以前，微生物遗传学家和生物化学家已经对鞭毛电动机进行了广泛的研究，并对其进行了很多描述，但他们的工作原理仍不清楚。

“为了解决这个世界问题，我们希望分析其高分辨率结构。我们遇到的第一个困难是如何完全提取鞭毛运动。这太大了！”朱孔说。经过大量尝试，团队更改了传统的酸碱处理方法，该方法通过遗传修饰方法轻松破坏了结构，设计了一个柔和的纯化步骤，并最终从沙门氏菌中获得了完整的鞭毛运动和关节装置复合样品。在Zhejiang University的冷冻电子显微镜中心主任张Xing教授合作，使用了300 kV的冷冻电子显微镜平台来收集冷冻磁显微镜数据，并首次解析了原子分辨率的鞭毛运动结构。

“当我们清楚地看到鞭毛电动机的结构时，我们必须惊叹于自然和生命的奇观。这是一个超大的综合体6.3兆瓦（MDA），高度约为460埃，直径约为260埃克斯特罗姆是12种不同的蛋白质，共有175个亚基。子宫内膜分泌装置，子宫内膜环，周质环，外环和连锁杆分别是一个细胞外连接装置，每个部分之间的互连和功能非常精致，而且恰到好处，使其无缝。

鞭毛运动结构（左）及其工作机制（右）的示意图

踩在热轮上，您可以旅行数千英里

为什么细菌运行这么快？千江大学研究人员分析的鞭毛电动机的结构清楚地揭示了这个谜。鞭毛电动机包含一个质子泵，该质子泵通过转运氢离子，将化学能转换为机械能，然后将扭矩转换为鞭毛电动机的内膜环，促使内膜环的旋转，从而驱动质子泵的旋转。

内膜环结构非常特殊，不仅可以旋转和传输扭矩，而且也是整个鞭毛电动机的组件基础。内膜环的底部紧紧地堵塞了分泌装置，促使分泌装置分泌各种鞭毛装配蛋白，然后在分泌装置上逐渐形成连锁杆，从而形成细菌外的细胞外接头装置和鞭毛丝。组装的连杆杆是一种非常密集的螺旋杆状结构，由5种蛋白质和总共46个亚基组成。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，从而方便扭矩传输和高速旋转。连锁杆通过在下端的11个亚基延伸了6个小螺旋结构和5个环结构（环结构），并牢固地连接到内膜环的内表面。反过来，内膜环延伸了10个多肽链，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，并实现了从水平方向到垂直方向的扭矩传输。多肽链和内膜环通过不规则的结构区域连接。相同的连接到6个小螺旋结构和5个环结构以及连锁杆的下端。这些不规则的结构区域不仅要确保灵活性，而且还充当跟踪功能将扭矩从内膜环传输到连锁杆，并且密集的刚性连杆杆继续从底部传输到从底部传输扭矩。

周质环和外膜环每个都有26个亚基，就像两个大轴承，并放在连锁杆的上端。外膜环的内表面完全带负电荷，与连锁杆的上端完全排除，该连杆杆的上端也完全负电荷，从而大大降低了外膜环与连锁杆之间的电阻并确保高高 - 连锁杆的速度旋转。外围环围绕着连锁杆的上端，并与其形成氢键相互作用环。与连锁杆上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，天冬酰胺等当连杆杆旋转时，所有不变的残基（例如赖氨酸和谷氨酰胺）不需要能量重建，因此，当连杆杆旋转时，外围环和连锁杆上端之间的氢键不需要能量损失，因此该氢键环就像轴承中的钢球一样。它不仅可以确保连杆杆在高速旋转时不会偏转，而且不会丢失扭矩传输的能量。连锁杆的上端和细胞外关节装置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。

由于这些结构的独特性以及每个结构元素之间的精致合作，鞭毛电动机可以迅速将机械能从质子泵转化为鞭毛丝，而不会损失任何损失，从而促进了鞭毛丝的高速旋转。细菌具有如此非凡的“热轮”设备，然后它们可以迅速移动。

Zhu Yongqun教授与Zhang Xing教授的团队讨论研究工作

教科书级研究结果

细菌鞭毛是微生物学教科书的基本内容。这项工作终于向人们推出了它的谜。鞭毛电动机的工作机制的揭示具有更多的教科书级科学意义。一位匿名评论专家说，这是一项用于里程卡的结构研究工作。另一位匿名审稿人说，这是一项出色的研究工作，揭示了细菌鞭毛未知部分的无与伦比的高分辨率精细结构以及鞭毛电动机的工作方式。

朱·旺（Zhu Yongqun）说，这项工作是细菌领域的重要突破，而以前关于鞭毛电动机的许多推论现在已被证明是错误的。自然界中也有一个分子运动，称为“ ATP合成酶”。我们的研究证明，鞭毛电动机的扭矩传递机制与ATP合成酶完全不同，ATP合成酶在自然界中显示了分子电机的工作原理的多样性，因此我们可以更好地了解微观世界的分子发动机。奠定了基础。

张明说，细菌鞭毛是一种精致而复杂的机器，也是自然界分子进化的杰作。通过对鞭毛电动机的结构分析的分析，本研究不仅揭示了其工作原理，从原子水平揭示了其工作原理，从而为纳米机器的研究带来了积极的灵感，而且还提供了可靠的结构信息，以研究其中的起源和演变复杂的纳米机器。将新观点带入生物进化论。