研究人員利用詳細(xì)的三維圖像，展示了細(xì)菌如何進(jìn)化出不同功率的分子馬達(dá)以優(yōu)化游泳。這一發(fā)現(xiàn)由倫敦帝國理工學(xué)院的一個團(tuán)隊提供，可以分析分子規(guī)模的進(jìn)化。

細(xì)菌使用幾十納米寬的分子馬達(dá)旋轉(zhuǎn)尾巴(或“鞭毛”)，將它們推入棲息地。與人造馬達(dá)一樣，這些納米級機(jī)器的結(jié)構(gòu)決定了它們的動力和細(xì)菌的游泳能力。

此前，帝國帝國生命科學(xué)部的團(tuán)隊研究了這些電機(jī)，并發(fā)現(xiàn)了一個關(guān)鍵因素，決定了細(xì)菌的游動強(qiáng)度。與人造馬達(dá)一樣，細(xì)菌馬達(dá)具有獨(dú)特的“定子”和“轉(zhuǎn)子”組件，它們相互旋轉(zhuǎn)。

研究小組發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌運(yùn)動所具有的定子結(jié)構(gòu)越多，其轉(zhuǎn)動力越大，細(xì)菌游動的能力越強(qiáng)。盡管存在這些差異，DNA序列分析顯示核心電機(jī)與祖先相關(guān)。這導(dǎo)致科學(xué)家質(zhì)疑結(jié)構(gòu)和游泳多樣性是如何從相同的核心設(shè)計演變而來的。

現(xiàn)在，在今天發(fā)表在“科學(xué)報告”雜志上的新研究中，研究人員通過將三維成像與DNA分析相結(jié)合，能夠建立細(xì)菌馬達(dá)的“家譜”。這使他們能夠了解祖先電機(jī)的外觀，以及它們?nèi)绾窝葑兂山裉焖姷膹?fù)雜電機(jī)。

該團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了原始和復(fù)雜細(xì)菌物種的發(fā)動機(jī)之間的明顯差異。雖然許多原始物種有大約12個定子，但更復(fù)雜的物種有大約17個定子。這與DNA分析一起表明，古代汽車也可能只有12個定子。

研究人員表示，原始物種和復(fù)雜物種之間的這種明顯分離代表了進(jìn)化中的“巨大飛躍”。他們的研究表明，電機(jī)功率容量的增加可能是現(xiàn)有結(jié)構(gòu)融合的結(jié)果。這形成了結(jié)構(gòu)支架，以結(jié)合更多定子，這些定子結(jié)合起來以更高的力驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。

首席研究員Morgan Beeby博士說：“我們習(xí)慣于觀察動物或植物規(guī)模的進(jìn)化，例如長頸鹿的頸部隨著時間的推移慢慢變長，以達(dá)到以前難以接近的食物。

“然而，在分子尺度上的演變更加激進(jìn)。它就像一只長頸鹿，孩子的脖子突然長了一米。”

為了進(jìn)行這項(xiàng)研究，該團(tuán)隊使用一種稱為冷凍選擇顯微鏡的方法，對來自不同種類細(xì)菌的多種電機(jī)進(jìn)行了可視化，該方法的先驅(qū)者今年獲得了諾貝爾化學(xué)獎。該方法涉及使活細(xì)胞內(nèi)的馬達(dá)快速冷凍。一旦凍結(jié)，就可以從各個角度對它們進(jìn)行成像，以建立電池內(nèi)部電機(jī)外觀的三維圖像。

然后，他們使用DNA序列分析建立了該物種的“家譜”，這與他們的游泳能力和運(yùn)動特性有關(guān)。他們發(fā)現(xiàn)具有17個或更多定子的細(xì)菌及其親屬在其馬達(dá)上附加了額外的結(jié)構(gòu)。

研究人員認(rèn)為，這些額外的結(jié)構(gòu)融合在復(fù)雜的細(xì)菌中，以提供更大的支架，以支持更多的定子。

然而，他們也說這可能不是一次性事件。額外的結(jié)構(gòu)似乎已經(jīng)在不同種類的細(xì)菌中進(jìn)化了許多次，使用不同的構(gòu)建塊但產(chǎn)生相同的功能。

在動物和植物王國中已經(jīng)看到過在完全不同的生物體中獨(dú)立發(fā)展的相同功能。例如，昆蟲，蝙蝠和鳥類都有進(jìn)化出的翅膀，它們在功能上相似，但起源完全不同，眼睛多次出現(xiàn)，并且有充分的證據(jù)表明神經(jīng)系統(tǒng)也進(jìn)化了好幾次，有些生物擁有奇怪的系統(tǒng)，不像我們習(xí)慣的大腦和脊髓。

Beeby博士說：“細(xì)菌馬達(dá)是復(fù)雜的機(jī)器，但通過這樣的研究，我們可以看到它們是如何以不同的步驟進(jìn)化的。此外，從12個定子到17個'飛躍'，雖然是一個偉大的創(chuàng)新，但卻有一個方面'生物必然性與高等動物的翅膀，眼睛或神經(jīng)系統(tǒng)一樣：高扭矩的前體已經(jīng)進(jìn)化了多次，其中一組最終融合形成了我們在工作中描述的支架。“

他補(bǔ)充說：“進(jìn)化是一個創(chuàng)造性的過程，經(jīng)常利用主題的變化。它不斷產(chǎn)生新的分子思想，其中許多失敗，但不可避免地有些人多次實(shí)現(xiàn)。我們已經(jīng)在動物身上看到了這一點(diǎn)，現(xiàn)在我們在納米分子進(jìn)化的世界中看到這個過程。“