令人難以置信的圖像以前所未有的細(xì)節(jié)揭示細(xì)菌運(yùn)動(dòng)部

納米三維成像技術(shù)揭示了不同的細(xì)菌如何使其微型螺旋槳馬達(dá)適應(yīng)各種游泳能力。許多細(xì)菌使用鞭毛游動(dòng) - 長(zhǎng)尾巴附著在由蛋白質(zhì)制成的微型馬達(dá)上，只有幾十納米寬。這些馬達(dá)旋轉(zhuǎn)鞭毛，鞭毛作為納米級(jí)螺旋槳起作用，驅(qū)使細(xì)菌前進(jìn)。

盡管不同細(xì)菌中的馬達(dá)具有相同的核心結(jié)構(gòu)，但是不同的細(xì)菌在其游泳能力方面變化很大。例如，導(dǎo)致食物中毒的空腸彎曲桿菌可以有力游動(dòng)，足以穿過(guò)腸道內(nèi)的粘液，這個(gè)環(huán)境太厚而且粘稠，不能讓其他細(xì)菌通過(guò)。

游泳能力差異的原因一直不明確 - 直到現(xiàn)在。使用帝國(guó)煙草公司最近安裝的高功率電子顯微鏡，由生命科學(xué)系的Morgan Beeby博士領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員能夠以前所未有的細(xì)節(jié)可視化這些電機(jī)。他們對(duì)這些電機(jī)的可視化解釋了游泳能力的差異，數(shù)學(xué)上考慮了電機(jī)功率的差異。這項(xiàng)工作發(fā)表在美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊上。

細(xì)菌鞭毛馬達(dá)在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上工作，旋轉(zhuǎn)其長(zhǎng)鞭毛尾部以產(chǎn)生螺旋狀螺旋槳運(yùn)動(dòng)。該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)大的游泳運(yùn)動(dòng)員通過(guò)在其電機(jī)中添加額外部件而進(jìn)化，制造出更強(qiáng)大的電機(jī)，這些電機(jī)具有更大的轉(zhuǎn)動(dòng)力或扭矩。

在鞭毛馬達(dá)中，轉(zhuǎn)動(dòng)力是由一圈稱(chēng)為定子的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的。研究小組發(fā)現(xiàn)空腸彎曲桿菌的定子數(shù)量幾乎是沙門(mén)氏菌定位的兩倍，并且這些結(jié)構(gòu)位于更寬的環(huán)中。更多的定子提供增加的扭矩，并且增加的環(huán)的寬度意味著各個(gè)定子在旋轉(zhuǎn)螺旋螺旋槳時(shí)施加更多的杠桿作用。

然而，并非所有細(xì)菌都需要如此強(qiáng)大并且在胃粘液等粘性環(huán)境中游動(dòng)。相反，該團(tuán)隊(duì)研究的另一種細(xì)菌是霍亂弧菌(一種引起霍亂的細(xì)菌)的近親，它已經(jīng)進(jìn)化出一種只有中等功率的馬達(dá)。

“這是我們第一次能夠看到并解釋這些納米級(jí)分子機(jī)器如何在細(xì)菌中進(jìn)化以在新環(huán)境中定殖，”Beeby博士說(shuō)。“這是對(duì)地球上進(jìn)化的令人敬畏的生命多樣性的一種迷人洞察，也提供了可能的藥物目標(biāo)。我們可能能夠設(shè)計(jì)出僅在目標(biāo)細(xì)菌物種中專(zhuān)門(mén)破壞鞭毛的藥物。”

該團(tuán)隊(duì)使用一種稱(chēng)為電子冷凍斷層掃描的方法將細(xì)菌迅速冷凍至-180℃。這可以防止冰晶形成，從而破壞結(jié)構(gòu)，使研究人員能夠從各個(gè)角度對(duì)閃光冷凍電機(jī)進(jìn)行成像，并建立3D模型。

通過(guò)觀察來(lái)自進(jìn)化樹(shù)不同分支的遠(yuǎn)緣細(xì)菌，該團(tuán)隊(duì)推測(cè)以這種方式改變扭矩的能力可能已經(jīng)發(fā)展到20億年前。

“細(xì)菌家族樹(shù)的整個(gè)分支已經(jīng)進(jìn)化出具有不同扭矩的馬達(dá)，導(dǎo)致各種物種都適合自己的環(huán)境，”Beeby博士說(shuō)。該團(tuán)隊(duì)正在研究如何以及何時(shí)發(fā)生改變電機(jī)扭矩的演化步驟。

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