讓細菌高速運動的馬達結構被成功解析

1秒鍾跑出自身長度數十倍的距離,是很多細菌具有的運動能力。記者21日從浙江大學獲悉,該校生命科學研究院朱永群教授團隊與醫學院張興教授團隊合作解碼細菌的運動「天賦」,首次系統地揭示了沙門氏菌鞭毛馬達的組裝和扭矩傳輸機制,為抗生素設計提供了新思路。相關論文日前發表於國際頂級期刊《細胞》。

讓細菌高速運動的馬達結構被成功解析

沙門氏菌鞭毛示意圖 課題組供圖

世界上70%的細菌具有鞭毛,它由細菌膜上的馬達、胞外的接頭裝置和鞭毛絲組成。其中,鞭毛馬達能夠每秒旋轉300—2400圈,從而產生動力,通過扭矩傳輸給接頭裝置,再帶動鞭毛絲,如螺旋槳般推動細菌運動。細菌鞭毛馬達的詳細結構、組裝機制和如何實現高效扭矩傳輸進而驅動鞭毛絲高速運轉的工作原理,學界此前未能破譯。

本次研究中,科研人員經過大量嘗試,設計出了非常溫和的鞭毛馬達純化步驟,最終獲得了完整的、穩定的鞭毛馬達與接頭裝置復合物樣品。應用浙江大學300千伏冷凍電鏡平台,最終首次向人們展示了鞭毛馬達的不同組件包括聯動杆、外膜環、周質環、內膜環、分泌裝置以及接頭裝置在內的高解析度結構。

聯合團隊經過解析發現,鞭毛馬達含有質子泵,可通過轉運氫離子,帶動質子泵的轉動,將化學能轉變為機械能,繼而將扭矩傳給鞭毛馬達的內膜環,促使內膜環的轉動。

「內部各個結構元件之間相互精妙的配合,使鞭毛馬達能將質子泵轉化而來的機械能,毫無損耗地迅速傳給鞭毛絲,促進鞭毛絲高速轉動。」 張興表示,這項研究通過對鞭毛馬達的結構解析,從原子水平揭示了其工作原理,為研究這個復雜納米機器的起源進化提供了可靠的結構信息,也為生物進化理論提供了新的視角。

來源:cnBeta