结束50年的谜团 团队揭示细菌如何移动

弗吉尼亚大学医学院的研究人员及其合作者已经解开了一个关于大肠杆菌和其他细菌如何移动的数十年之谜。

细菌通过将长而线状的附属物卷成开瓶器形状来推动自己前进，这些螺旋桨充当临时螺旋桨。但是他们究竟是如何做到这一点的让科学家们感到困惑，因为“螺旋桨”是由单一蛋白质制成的。

由UVA的Edward H. Egelman领导的国际团队是高科技冷冻电子显微镜领域的领导者，已经破获了此案。研究人员使用先进的显微镜(有时称为冷冻电镜)和先进的计算机建模来揭示传统光学显微镜无法看到的东西：这些螺旋桨在单个原子水平上的奇怪结构。

“虽然这些细丝如何形成如此规则的卷曲形状的模型已经存在了50年，但我们现在已经确定了这些细丝的原子细节结构，”UVA生物化学和分子遗传学系的Egelman说。“我们可以证明这些模型是错误的，我们的新理解将有助于为基于这种微型螺旋桨的技术铺平道路。

细菌“超级线圈”的蓝图

不同的细菌有一个或多个附属物，称为鞭毛，或复数形式的鞭毛。鞭毛由数千个亚基组成，但所有这些亚基都是完全相同的。你可能会认为这样的尾巴是直的，或者充其量有点灵活，但这会使细菌无法移动。那是因为这样的形状不能产生推力。它需要一个旋转的，像开瓶器一样的螺旋桨来推动细菌前进。科学家称这种形状的形成为“超螺旋”，现在，经过五十多年，他们了解了细菌是如何做到的。

使用冷冻电镜，Egelman和他的团队发现构成鞭毛的蛋白质可以存在于11种不同的状态。正是这些状态的精确混合导致开瓶器形状的形成。

众所周知，细菌中的螺旋桨与称为古细菌的耐寒单细胞生物使用的类似螺旋桨完全不同。古菌存在于地球上一些最极端的环境中，例如几乎沸腾的酸池，海洋的最底部和地下深处的石油矿床中。

Egelman及其同事使用冷冻电镜检查了一种古细菌Saccharolobus islandicus的鞭毛，发现形成其鞭毛的蛋白质存在于10种不同的状态。虽然细节与研究人员在细菌中看到的细节完全不同，但结果是相同的，细丝形成规则的开瓶器。他们得出的结论是，这是“趋同进化”的一个例子——当自然界通过非常不同的方式得出类似的解决方案时。这表明，尽管细菌和古细菌的螺旋桨在形式和功能上相似，但生物体独立进化出这些特征。

“与鸟类，蝙蝠和蜜蜂一样，它们都有独立进化的飞行翅膀，细菌和古菌的进化已经集中在一种类似的游泳解决方案上，”埃格尔曼说，他之前的成像工作使他入选美国国家科学院，这是科学家可以获得的最高荣誉之一。“自从这些生物结构在数十亿年前出现在地球上以来，理解它们所花费的50年可能看起来并不长。

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