我國科學家揭示細菌鞭毛馬達結構和工作機制

1秒鐘跑出自己身長60倍、甚至100倍的距離是很多細菌具有的運動能力。細菌的運動能力依賴于其特異的運動器官—鞭毛。鞭毛是一個巨大的納米機器，由細胞膜上的馬達、胞外接頭裝置和鞭毛絲組成，是自然界中最高效、最精密的分子引擎，也是最復雜的蛋白質機器之一，能夠每秒鐘旋轉300-2400圈。由于其高度復雜性，鞭毛馬達的工作原理尚未得到揭示。

在國家重點研發計劃“蛋白質機器與生命過程調控”重點專項的支持下，浙江大學研究團隊利用冷凍電鏡技術解析了來源于病原菌沙門氏菌的天然狀態下的鞭毛馬達-接頭裝置復合物的原子分辨率冷凍電鏡結構，該復合物包含12種蛋白，共計175個亞基，總分子量超過6.3 MDa。該團隊首先解析了整體鞭毛馬達-接頭復合物的3.9 ?結構，之后進行了局部細化解析，最終將聯動桿、外膜-周質環、內膜環、分泌裝置以及接頭裝置等鞭毛馬達不同部位的局部分辨率依次達到3.2 ?、2.8 ?、3.6 ?、3.2 ?和3.4 ?。研究團隊還揭示了鞭毛馬達帶動鞭毛絲高速轉動的機制：內膜環克服馬達內部的結構不對稱性向聯動桿傳輸扭矩;外膜-周質環驅動聯動桿高速旋轉;聯動桿通過緊密的管狀結構與接頭裝置相連，將扭矩傳遞至接頭裝置，進而帶動鞭毛絲的轉動，像潛艇螺旋槳一樣驅動了細菌的運動。該研究首次揭示了細菌鞭毛馬達獨特的高分辨率精細結構及其組裝和扭矩傳輸機制，闡釋了鞭毛馬達的工作原理。

該研究有利于更好地了解微觀世界的分子發動機，也為相關的合成生物學、生物物理學、納米機器人等研究奠定了堅實的基礎，研究成果近期發表在Cell雜志上。

（來源：中華人民共和國科學技術部http：//most.gov.cn2021-06-01）