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破解50年謎題！細菌為什么能運動？《細胞》新研究揭秘關鍵結構

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▎藥明康德內容團隊編纂
自從列文虎克在顯微鏡下觀察到快速游動的細菌 ， 科學家就渴想揭開細菌運動的秘密 。 但直到300多年后的今天 ， 謎底才逐漸浮出水面 。
我們早已從教科書上了解到 ， 細菌是依賴鞭毛實現運動的 。 的確 ， 鞭毛是大多數細菌特有的運動器官 ， 它們由細菌膜上的馬達、細胞外的接頭裝置和鞭毛絲這三個部門組成 。 而鞭毛讓細菌運動的機制 ， 包含了兩個關鍵問題：鞭毛馬達如何提供動力 ， 以及作為“推進器”的鞭毛絲如何轉變為適合運動的形態？
破解50年謎題！細菌為什么能運動？《細胞》新研究揭秘關鍵結構
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圖片來源：123RF
對于第一個題目 ， 去年的一篇《細胞》論文先容了一項重要進展 。 浙江大學朱永群教授和張興教授合作 ， 以原子分辨率解析了細菌鞭毛馬達的結構 ， 以及如何組裝、為鞭毛絲的運轉高效提供動力的 。 （更多閱讀：
里程碑！詳解自然界最精密的一種分子馬達如何運轉 ， 浙大科研團隊《細胞》發文
【破解50年謎題！細菌為什么能運動？《細胞》新研究揭秘關鍵結構】）
至于第二個題目 ， 則是科學家們爭論了半個世紀的懸案 。 人們知道的是 ， 通過將細長的鞭毛絲卷曲成螺旋形 ， 細菌就可以獲得臨時的“推進器” ， 猶如直升機的螺旋槳一般 ， 通過動彈產生動力、推動自身快速移動 。
但這個變形過程是如何實現的？在一項近期發表于《細胞》雜志的研究中 ， 美國弗吉尼亞大學的EdwardH.Egelman教授帶領團隊揭開答案 。 借助冷凍電子顯微鏡及計算機模擬 ， 研究團隊在近原子分辨率上破解了鞭毛絲形成螺旋狀的機制 ， 并且揭示了細菌與古菌鞭毛絲的趨同演化 。
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“早在50年前 ， 就有模型開始描述這些鞭毛絲如何形成如斯規則的螺旋形 ， 現在我們揭示了鞭毛絲結構的細節 ， ”Egelman教授表示 ， “我們的研究表明 ， 那些模型是錯誤的 ， 而我們帶來的新理解將促進基于這些微型‘推進器’開發新技術 。 ”
細菌的每根鞭毛絲由數千個完全相同的亞基組成 。 我們可能會以為鞭毛絲應該是近乎筆挺的 ， 或者只有一點彈性 。 但事實上 ， 這樣的結構根本無法產生足夠的推力 ， 因而細菌將難以移動 。 只有卷繞成螺旋狀 ， 才能推動細菌移動 。 科學家將這個過程稱為超螺旋（supercoil） 。
在冷凍電鏡下 ， 研究團隊觀察了鞭毛絲的核心結構域 。 在能量最低的狀態下 ， 組成鞭毛絲的原絲（protofilament）有11種不同的構象 ， 如下圖所示 ， 這些原絲沿縱軸環狀排列 ， 形成圓柱狀 。 因為構象不同 ， 它們的長短不一 ， 原本筆挺的圓柱向較短的原絲一側彎曲 ， 從而卷曲形成超螺旋狀 。
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▲細菌（上）與古菌（下）的鞭毛絲形成超螺旋形態的過程（圖片來源：參考資料[1]）
此外 ， 這項研究還對古菌鞭毛絲的結構進行了分析 。 比擬于細菌 ， 人們對古菌的熟悉更加有限 。
在冷凍電鏡下 ， 組成古菌鞭毛絲的原絲共有10種不同的構象 。 盡管古菌與細菌的諸多細節存在差異（例如古菌鞭毛絲的核心結構域是單鏈 ， 而細菌是多鏈） ， 但終極的結果頗為一致：鞭毛絲轉變為規則的超螺旋形 。
研究團隊總結道 ， 在這個案例中 ， 古菌與細菌趨同演化：自然界通過不同的方式 ， 找到了相似的解決方案 。 換句話說 ， 盡管細菌與古菌的鞭毛絲有著相似的組成與功能 ， 但兩者是獨立演化出這些特征的 。