生物界的鞭毛马达

生物界的鞭毛马达

 

大多数人对细菌的世界都很不熟悉，因为它们都无法被人眼直接看到，但实际上在生物世界中，细菌域占据了相当大的一类，而且现实中几乎无处不在。其实很多细菌都有着十分神奇的能力，比如近日科学家们新发现在细菌的鞭毛上居然有着一个类似飞机发动机的马达，其转速非常快，每秒高达上千转，神奇不神奇？

据《科技日报》4月21日报道，我国浙江大学生命科学研究院朱永群教授团队与医学院的张兴教授团队合作，首次系统地揭示了沙门氏菌鞭毛马达的组装和扭矩传输机制，解码了这种细菌的运动机理。

有70%的细菌有鞭毛这种器官，这些细菌也主要靠鞭毛的摆动来活动，先前科学家们没有认真研究鞭毛这种器官的结构，认为它纯粹是靠摆动来活动的，但是朱永群和张兴教授的团队通过高倍率电子显微镜发现鞭毛是由细菌膜上的马达、胞外的接头装置和鞭毛丝组成的。其中的鞭毛马达特别神奇，它看上去就像是战斗机类飞机上的涡扇发动机，但并不是向外喷出东西，而是能够旋转，而且速度非常快，每秒钟就可旋转300—2400圈，这速度比我们平时使用的打孔机等大多数的能旋转的机器的转速都快。

生活中离不开汽车等带轮子的交通工具，轴承和转轮几乎是我们人类社会不可或缺的机械，在动植物界，没有一种生物进化出了具有轴承机械原理的可以旋转的器官，没想到在细菌界中，大部分的细菌都有这种结构，这真的是一个让人十分吃惊的发现。

此前，科学家们对细菌鞭毛马达的详细结构，组件情况，运作机制等并不清晰，也不知道鞭毛马达的工作原理（如何实现高效扭矩传输进而驱动鞭毛丝高速运转），上述的我国科学家通过详细的针对性的研究，解开了这些谜团——在进行这项研究时，研究者们设计出了十分温和的鞭毛马达纯化步骤，获得了完整而稳定的鞭毛马达与接头装置复合物样品，然后应用浙江大学的300千伏冷冻电镜平台，终于清晰观测到了鞭毛马达的不同组件。

就如同驱动一辆车所需要的桩子一样，小小的鞭毛马达拥有的组建，包括了包括联动杆、外膜环、周质环、内膜环、分泌装置以及接头装置等，这一套套的组件就完美地配置在只有26纳米的鞭毛马达上，制造了一个如同飞机发动机的结构，所以称其为“马达”也是非常合适的，该“马达”由175个蛋白质亚基组成，分子质量约为6.3MDA（极小的分子量单位），虽然小但是结构很复杂。

而通过观察细菌及细菌鞭毛的运动也能发现，细菌的鞭毛也是通过鞭毛马达旋转产生动力，再通过扭矩传输给接头装置，进而带动鞭毛丝运动，这样整条鞭毛就会如螺旋桨般推动细菌向前运动，相比较而言，它的速度也相当快，1秒钟就可以跑出相当于自身长度数十倍的距离，如果我们人类有这样的速度，那么百米赛只需要一秒钟就能跑完，可见细菌的鞭毛马达动力是非常强劲的。

这样看来，一个细菌也可以说就是一台机器，只是它小到了纳米的级别层次上，具体来说它就是一种超分子蛋白质机器，而鞭毛马达就是它运动时动力来源的发动机。那么鞭毛马达是如何启动和运动的呢？什么力量或者说能量激发了鞭毛马达的高速旋转呢？研究团队通过观测和分析发现其上含有质子泵，可以通过转运氢离子带动质子泵的转动，相当于将化学能转变为成了机械能，这样一来就可以将扭矩传给鞭毛马达的内膜环，促成内膜环的转动起来，研究团队主导者之一的张兴还称：“（鞭毛马达）内部各个结构元件之间的相互配合十分精妙，可使鞭毛马达将质子泵获取的机械能迅速传给鞭毛丝促其高速转动。这是不是十分巧妙？

这项研究的相关论文日前发表于国际顶级期刊《细胞》上，文章揭示了微观世界中细菌运动的部分原理，从原子的层面揭示了鞭毛马达的结构和工作原理，为细胞学研究指出了新方向，也为生命科学和生物进化论。提供了新的证据和课题，并为今后抗生素的设计提供了新的思路。

 

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