破解50年谜题！细菌为什么能运动？《细胞》新研究揭秘关键结构

▎药明康德内容团队编辑

自从列文虎克在显微镜下观察到快速游动的细菌，科学家就渴望揭开细菌运动的秘密。但直到300多年后的今天，答案才逐渐浮出水面。

我们早已从教科书上了解到，细菌是依靠鞭毛实现运动的。的确，鞭毛是大多数细菌特有的运动器官，它们由细菌膜上的马达、细胞外的接头装置和鞭毛丝这三个部分组成。而鞭毛让细菌运动的机制，包含了两个关键问题：鞭毛马达如何提供动力，以及作为“推进器”的鞭毛丝如何转变为适合运动的形态？

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对于第一个问题，去年的一篇《细胞》论文介绍了一项重要进展。浙江大学朱永群教授和张兴教授合作，以原子分辨率解析了细菌鞭毛马达的结构，以及如何组装、为鞭毛丝的运转高效提供动力的。（更多阅读：

里程碑！详解自然界最精密的一种分子马达如何运转，浙大科研团队《细胞》发文

）

至于第二个问题，则是科学家们争论了半个世纪的悬案。人们知道的是，通过将细长的鞭毛丝卷曲成螺旋形，细菌就可以获得临时的“推进器”，如同直升机的螺旋桨一般，通过转动产生动力、推动自身快速移动。

但这个变形过程是如何实现的？在一项近期发表于《细胞》杂志的研究中，美国弗吉尼亚大学的Edward H. Egelman教授带领团队揭开谜底。借助冷冻电子显微镜及计算机模拟，研究团队在近原子分辨率上破解了鞭毛丝形成螺旋状的机制，并且揭示了细菌与古菌鞭毛丝的趋同演化。

“早在50年前，就有模型开始描述这些鞭毛丝如何形成如此规则的螺旋形，现在我们揭示了鞭毛丝结构的细节，” Egelman教授表示，“我们的研究表明，那些模型是错误的，而我们带来的新理解将促进基于这些微型‘推进器’开发新技术。”

细菌的每根鞭毛丝由数千个完全相同的亚基组成。我们可能会认为鞭毛丝应该是近乎笔直的，或者只有一点弹性。但事实上，这样的结构根本无法产生足够的推力，因而细菌将难以移动。只有卷绕成螺旋状，才能推动细菌移动。科学家将这个过程称为超螺旋（supercoil）。

在冷冻电镜下，研究团队观察了鞭毛丝的核心结构域。在能量最低的状态下，组成鞭毛丝的原丝（protofilament）有11种不同的构象，如下图所示，这些原丝沿纵轴环状排列，形成圆柱状。由于构象不同，它们的长短不一，原本笔直的圆柱向较短的原丝一侧弯曲，从而卷曲形成超螺旋状。

▲细菌（上）与古菌（下）的鞭毛丝形成超螺旋形态的过程（图片来源：参考资料[1]）

此外，这项研究还对古菌鞭毛丝的结构进行了分析。相比于细菌，人们对古菌的认识更加有限。

在冷冻电镜下，组成古菌鞭毛丝的原丝共有10种不同的构象。尽管古菌与细菌的诸多细节存在差异（例如古菌鞭毛丝的核心结构域是单链，而细菌是多链），但最终的结果颇为一致：鞭毛丝转变为规则的超螺旋形。

研究团队总结道，在这个案例中，古菌与细菌趋同演化：自然界通过不同的方式，找到了相似的解决方案。换句话说，尽管细菌与古菌的鞭毛丝有着相似的组成与功能，但两者是独立演化出这些特征的。

▲通过趋同演化，细菌与古菌的鞭毛丝拥有类似的超螺旋结构（图片来源：参考资料[1]）

“考虑到这些结构已经在地球上存在了数十亿年，用50年去理解这个问题，似乎也没那么漫长了。” Egelman教授最后说道。

参考资料：

[1] Mark A.B. Kreutzberger et al, Convergent evolution in the supercoiling of prokaryotic flagellar filaments, Cell (2022). DOI: 10.1016/j.cell.2022.08.009

[2] Ending a 50-year mystery, scientists reveal how bacteria can move. Retrieved September 27, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/965985