细菌高速运动的马达结构成功解析

 科技日报杭州4月21日电 (洪恒飞 柯溢能 吴雅兰 记者江耘)1秒钟跑出自身长度数十倍的距离,是很多细菌具有的运动能力。记者21日从浙江大学获悉,该校生命科学研究院朱永群教授团队与医学院张兴教授团队合作解码细菌的运动“天赋”,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,为抗生素设计提供了新思路。相关论文日前发表于国际顶级期刊《细胞》。

 
  世界上70%的细菌具有鞭毛,它由细菌膜上的马达、胞外的接头装置和鞭毛丝组成。其中,鞭毛马达能够每秒旋转300—2400圈,从而产生动力,通过扭矩传输给接头装置,再带动鞭毛丝,如螺旋桨般推动细菌运动。细菌鞭毛马达的详细结构、组装机制和如何实现高效扭矩传输进而驱动鞭毛丝高速运转的工作原理,学界此前未能破译。
 
  本次研究中,科研人员经过大量尝试,设计出了非常温和的鞭毛马达纯化步骤,最终获得了完整的、稳定的鞭毛马达与接头装置复合物样品。应用浙江大学300千伏冷冻电镜平台,最终首次向人们展示了鞭毛马达的不同组件包括联动杆、外膜环、周质环、内膜环、分泌装置以及接头装置在内的高分辨率结构。
 
  联合团队经过解析发现,鞭毛马达含有质子泵,可通过转运氢离子,带动质子泵的转动,将化学能转变为机械能,继而将扭矩传给鞭毛马达的内膜环,促使内膜环的转动。
 
  “内部各个结构元件之间相互精妙的配合,使鞭毛马达能将质子泵转化而来的机械能,毫无损耗地迅速传给鞭毛丝,促进鞭毛丝高速转动。”张兴表示,这项研究通过对鞭毛马达的结构解析,从原子水平揭示了其工作原理,为研究这个复杂纳米机器的起源进化提供了可靠的结构信息,也为生物进化理论提供了新的视角。
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