1秒鐘可以跑出自己身長60、甚至100倍的距離，這是很多細(xì)菌具有的運(yùn)動(dòng)能力，遠(yuǎn)超地球上跑得最快的動(dòng)物獵豹，就連高鐵也望塵莫及。

自17世紀(jì)列文虎克第一次觀察到能夠移動(dòng)的細(xì)菌后，細(xì)菌運(yùn)動(dòng)能力及其機(jī)制引起了廣大科學(xué)家們的強(qiáng)烈興趣。細(xì)菌是怎么跑得這么快的？它是什么樣的跑法？是什么樣的裝置能驅(qū)動(dòng)這么快的運(yùn)動(dòng)速度？運(yùn)動(dòng)的力量是怎么傳遞的？一連串的疑問盤繞在科學(xué)家們的腦海里，很多微生物學(xué)家、生物化學(xué)家、生物物理學(xué)家等加入這一研究領(lǐng)域，然而很多疑問依然有待解開。

近日，浙江大學(xué)生命科學(xué)研究院朱永群教授團(tuán)隊(duì)與醫(yī)學(xué)院張興教授團(tuán)隊(duì)合作，聯(lián)合揭示了沙門氏菌鞭毛馬達(dá)的原子分辨率結(jié)構(gòu)，通過對鞭毛馬達(dá)扭矩傳輸機(jī)制的剖析，解開了困惑學(xué)界幾十年的細(xì)菌鞭毛馬達(dá)工作原理難題，揭開了細(xì)菌跑得快的秘密，為抗生素設(shè)計(jì)提供了新思路。

這一研究刊發(fā)在北京時(shí)間4月20日上線的國際頂級期刊《細(xì)胞》（Cell），論文通訊作者為朱永群教授和張興教授，第一作者為博士研究生譚加興、張興教授、博士后王小飛和博士研究生徐彩煌。參與合作的還有生科院高海春教授實(shí)驗(yàn)室和周艷研究員實(shí)驗(yàn)室。

細(xì)菌有絕招

細(xì)菌與人類等其他生物具有漫長的生物共進(jìn)化過程，這是一個(gè)相互斗智斗勇、趨利避害的競爭游戲。為了獲得豐富的營養(yǎng)物質(zhì)“改善伙食”，為了避免被人類免疫系統(tǒng)追殺，或者為了成功找到適宜的生存和感染的位置，細(xì)菌進(jìn)化出了快速“游動(dòng)”的能力。

細(xì)菌這一快速游動(dòng)的能力是基于一個(gè)特殊的運(yùn)動(dòng)器官——鞭毛。鞭毛是從細(xì)菌內(nèi)部長出的又細(xì)又長的絲狀物，由在細(xì)菌膜上的馬達(dá)、胞外的接頭裝置和鞭毛絲組成。鞭毛馬達(dá)旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生動(dòng)力，通過扭矩傳輸給接頭裝置，然后傳給鞭毛絲，從而帶動(dòng)鞭毛絲的轉(zhuǎn)動(dòng)。鞭毛絲如同螺旋槳一樣，旋轉(zhuǎn)推動(dòng)細(xì)菌向前移動(dòng)，如同潛水艇一般。

沙門氏菌鞭毛的示意圖

鞭毛馬達(dá)是自然界中最復(fù)雜的蛋白質(zhì)機(jī)器之一，它能夠每秒鐘旋轉(zhuǎn)300-2400圈。由于其高度復(fù)雜性，鞭毛馬達(dá)一直是微生物學(xué)、生物化學(xué)、生物物理和結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。世界上70%的細(xì)菌都具有鞭毛，它是細(xì)菌基本的器官之一，也是細(xì)菌致病的關(guān)鍵武器。先前微生物遺傳學(xué)家和生物化學(xué)家對鞭毛馬達(dá)進(jìn)行了大量的研究，對鞭毛馬達(dá)進(jìn)行了很多描述，然而其工作原理依然很不清楚。

“為了解決這一世界難題，我們希望解析它的高分辨結(jié)構(gòu)。我們碰到的第一個(gè)難點(diǎn)就是如何完整地提取鞭毛馬達(dá)，它太大了！”朱永群說。團(tuán)隊(duì)經(jīng)過大量的嘗試，通過遺傳改造的方法，改變了傳統(tǒng)極易破壞結(jié)構(gòu)的酸堿處理法，設(shè)計(jì)出溫和的純化步驟，最終獲得了來源于沙門氏菌的完整的鞭毛馬達(dá)與接頭裝置的復(fù)合物樣品，與浙江大學(xué)冷凍電鏡中心主任張興教授合作，利用300千伏冷凍電鏡平臺(tái)，收集了冷凍電鏡數(shù)據(jù)，首次解析了原子分辨率的鞭毛馬達(dá)結(jié)構(gòu)。

“當(dāng)我們清晰地看到鞭毛馬達(dá)的結(jié)構(gòu)后，不得不驚嘆于大自然和生命的奇妙。這是一個(gè)6.3兆達(dá)爾頓（MDa）的超大復(fù)合物，高約460埃，直徑約260埃，包含了12種不同的蛋白質(zhì)，總共有175個(gè)亞基?！敝煊廊赫f，整體結(jié)構(gòu)非常漂亮而且精密，分別由內(nèi)膜分泌裝置、內(nèi)膜環(huán)、周質(zhì)環(huán)、外膜環(huán)和聯(lián)動(dòng)桿以及胞外接頭裝置組成，每一部分之間的相互聯(lián)系和作用是非常精妙和恰到好處的，做到了天衣無縫。

鞭毛馬達(dá)結(jié)構(gòu)（左）及其工作機(jī)制示意圖（右）

腳踏風(fēng)火輪，萬里可橫行

細(xì)菌為什么能跑得那么快？浙大科研人員解析的這個(gè)鞭毛馬達(dá)結(jié)構(gòu)清晰地揭示了其中的奧秘。鞭毛馬達(dá)含有質(zhì)子泵，通過轉(zhuǎn)運(yùn)氫離子，帶動(dòng)質(zhì)子泵的轉(zhuǎn)動(dòng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，繼而將扭矩傳給鞭毛馬達(dá)的內(nèi)膜環(huán)，促使內(nèi)膜環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

內(nèi)膜環(huán)結(jié)構(gòu)非常特殊，它不僅可以旋轉(zhuǎn)和傳輸扭矩，而且是整個(gè)鞭毛馬達(dá)的組裝底座。內(nèi)膜環(huán)底部緊緊地卡住分泌裝置，促使分泌裝置分泌各種鞭毛組裝蛋白，然后在分泌裝置上逐步地形成聯(lián)動(dòng)桿，繼而形成細(xì)菌胞外的接頭裝置和鞭毛絲。組裝好的聯(lián)動(dòng)桿是非常致密的螺旋桿狀結(jié)構(gòu)，由5個(gè)蛋白、共46個(gè)亞基組成，其中每個(gè)亞基跟周圍的亞基相互鎖定，保證了整個(gè)聯(lián)動(dòng)桿高度的剛性，以有利于扭矩傳輸和高速旋轉(zhuǎn)。聯(lián)動(dòng)桿通過下端的11個(gè)亞基，延伸出6個(gè)小螺旋結(jié)構(gòu)和5個(gè)loop結(jié)構(gòu)（環(huán)結(jié)構(gòu)），牢牢地貼在內(nèi)膜環(huán)的內(nèi)表面上。反過來，內(nèi)膜環(huán)伸出10個(gè)多肽鏈，緊緊地抓住聯(lián)動(dòng)桿的中部。這種相互作用方式克服了內(nèi)膜環(huán)圓盤結(jié)構(gòu)和聯(lián)動(dòng)桿的螺旋結(jié)構(gòu)之間的結(jié)構(gòu)不對稱，實(shí)現(xiàn)了扭矩傳輸從水平方向轉(zhuǎn)向垂直方向。多肽鏈與內(nèi)膜環(huán)通過不規(guī)則的結(jié)構(gòu)區(qū)連接，同樣連接6個(gè)小螺旋結(jié)構(gòu)和5個(gè)loop結(jié)構(gòu)與聯(lián)動(dòng)桿下端的也是不規(guī)則的結(jié)構(gòu)區(qū)，這些不規(guī)則結(jié)構(gòu)區(qū)既保證了柔性，又充當(dāng)了履帶作用，從而將扭矩從內(nèi)膜環(huán)傳到聯(lián)動(dòng)桿上，然后致密的剛性聯(lián)動(dòng)桿繼續(xù)將扭矩從下往上傳輸。

而周質(zhì)環(huán)和外膜環(huán)各有26個(gè)亞基組成，它們像兩個(gè)大軸承，套在聯(lián)動(dòng)桿的上端。外膜環(huán)的內(nèi)表面全帶負(fù)電，正好與也全帶負(fù)電的聯(lián)動(dòng)桿上端產(chǎn)生靜電互斥，大大地減小了外膜環(huán)與聯(lián)動(dòng)桿之間的阻力，確保了聯(lián)動(dòng)桿的高速旋轉(zhuǎn)。而周質(zhì)環(huán)則圍繞聯(lián)動(dòng)桿上端，與之形成一個(gè)氫鍵相互作用環(huán)。在聯(lián)動(dòng)桿上端的參與這個(gè)氫鍵相互作用環(huán)形成的氨基酸殘基全部是固定的谷氨酰胺、谷氨酸、天冬酰胺等殘基，而在周質(zhì)環(huán)的參與這個(gè)氫鍵環(huán)的殘基都是不變的賴氨酸和谷氨酰胺等殘基，因而在聯(lián)動(dòng)桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，周質(zhì)環(huán)與聯(lián)動(dòng)桿上端之間的氫鍵重建不需要能量的損耗，所以這個(gè)氫鍵環(huán)如同軸承中的鋼珠球，既能保證了聯(lián)動(dòng)桿高速旋轉(zhuǎn)時(shí)不跑偏，而且不損耗扭矩傳輸?shù)哪芰俊Ｂ?lián)動(dòng)桿的上端和胞外接頭裝置通過緊密的管狀結(jié)構(gòu)相連，保證了聯(lián)動(dòng)桿的扭矩全部傳輸給接頭裝置，進(jìn)而帶動(dòng)鞭毛絲的轉(zhuǎn)動(dòng)。

正因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性以及各個(gè)結(jié)構(gòu)元件之間相互精妙的配合，鞭毛馬達(dá)能將質(zhì)子泵轉(zhuǎn)化而來的機(jī)械能，毫無損耗地迅速傳給鞭毛絲，促進(jìn)鞭毛絲高速轉(zhuǎn)動(dòng)。細(xì)菌有了如此非凡的“風(fēng)火輪”裝備，進(jìn)而得以快速運(yùn)動(dòng)。

朱永群教授團(tuán)隊(duì)與張興教授團(tuán)隊(duì)一起討論研究工作

教科書級別的研究成果

細(xì)菌鞭毛是微生物學(xué)課本的基本內(nèi)容，這項(xiàng)工作終于向人們揭開了其神秘面紗，鞭毛馬達(dá)工作機(jī)制的揭示更具有教科書級別的科學(xué)意義。一位匿名評審專家說，這是一個(gè)里程牌的結(jié)構(gòu)研究工作。另一位匿名評審專家表示，這是一件杰出的研究工作，它揭示了細(xì)菌鞭毛未知部分的無與倫比的高分辨率精細(xì)結(jié)構(gòu)和鞭毛馬達(dá)工作原理。

朱永群說，這項(xiàng)工作是細(xì)菌領(lǐng)域的一個(gè)重要突破，之前很多關(guān)于鞭毛馬達(dá)的推論現(xiàn)在被證明是不對的。自然界還有一種分子馬達(dá)叫“ATP合成酶”，我們的研究證明鞭毛馬達(dá)的扭矩傳輸機(jī)制完全不同于ATP合成酶，說明自然界分子馬達(dá)工作原理的多樣性，為我們更好地了解微觀世界的分子發(fā)動(dòng)機(jī)奠定了基礎(chǔ)。

張興表示，細(xì)菌鞭毛是一個(gè)精巧復(fù)雜的機(jī)器、是自然界分子進(jìn)化的杰作。這項(xiàng)研究通過對鞭毛馬達(dá)的結(jié)構(gòu)解析，不僅從原子水平揭示了其工作原理，為納米機(jī)器的研究帶來積極的啟發(fā)意義，也為研究這個(gè)復(fù)雜納米機(jī)器的起源進(jìn)化提供了可靠的結(jié)構(gòu)信息，為生物進(jìn)化理論帶來新的視角。

朱永群教授團(tuán)隊(duì)與張興教授團(tuán)隊(duì)在冷凍電鏡平臺(tái)前

原文鏈接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00430-X

（文 柯溢能 吳雅蘭/攝影 盧紹慶 部分圖片由課題組提供）