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我科学家首次清晰揭示鞭毛马达原子分辨率结构

细菌跑得快的奥秘揭开了

2021-04-27 00:58:40 来源:健康报
  (通讯员柯溢能 吴雅兰 特约记者宋黎胜)1秒钟可以跑出自己身长60倍,甚至100倍的距离,这是很多细菌具有的运动能力。浙江大学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,联合揭示了沙门氏菌鞭毛马达的原子分辨率结构,解开了困惑学界几十年的细菌鞭毛马达工作原理难题,揭开了细菌跑得快的秘密,为抗生素设计提供了新思路。这一研究结果近日刊发在国际期刊《细胞》上。

  细菌能够快速游动是基于一个特殊的运动器官——鞭毛。鞭毛是从细菌内部长出的又细又长的丝状物,由在细菌膜上的马达、胞外的接头装置和鞭毛丝组成。鞭毛马达旋转并产生动力,通过扭矩传输给接头装置,然后传给鞭毛丝,从而带动鞭毛丝的转动。鞭毛马达是自然界中最复杂的蛋白质机器之一,它能够每秒钟旋转300圈~2400圈。世界上70%的细菌都具有鞭毛,之前微生物遗传学家和生物化学家对鞭毛马达进行了大量的研究,然而其工作原理依然很不清楚。

  如何完整地提取鞭毛马达是一个难题。朱永群团队通过遗传改造的方法,改变了传统极易破坏结构的酸碱处理法,设计出温和的纯化步骤,最终获得了来源于沙门氏菌的完整的鞭毛马达与接头装置的复合物样品。

  之后,该团队与浙江大学冷冻电镜中心主任张兴教授合作,利用300千伏冷冻电镜平台,收集了冷冻电镜数据,首次解析了原子分辨率的鞭毛马达结构。

  细菌为什么跑得那么快?科研人员解析的这个鞭毛马达结构清晰地揭示了其中的奥秘。鞭毛马达含有质子泵,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。内膜环结构非常特殊,它不仅可以旋转和传输扭矩,而且是整个鞭毛马达的组装底座。正因为结构的独特性以及各个结构元件之间相互精妙的配合,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。

  朱永群表示,这项研究是细菌领域的一个重要突破,之前很多关于鞭毛马达的推论现在被证明是不对的。自然界还有一种分子马达叫“ATP合成酶”,研究证明鞭毛马达的扭矩传输机制完全不同于ATP合成酶。这说明自然界分子马达工作原理具有多样性。

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