本报讯 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，远超地球上跑得最快的动物猎豹，就连高铁也望尘莫及。近日，浙江大学生命科学研究院教授朱永群团队与医学院教授张兴团队合作，联合揭示了沙门氏菌鞭毛马达的原子分辨率结构，通过对鞭毛马达扭矩传输机制的剖析，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。这一研究刊发在4月20日上线的国际顶级期刊《细胞》上。
细菌这一快速游动的能力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。鞭毛丝如同螺旋桨一样，旋转推动细菌向前移动，如同潜水艇一般。
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300～2400圈。由于其高度复杂性，鞭毛马达一直是微生物学、生物化学、生物物理和结构生物学研究的难点和热点。
“为了解决这一世界难题，我们希望解析它的高分辨结构。我们碰到的第一个难点就是如何完整地提取鞭毛马达，它太大了！”朱永群说。团队经过大量的尝试，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，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。
“当我们清晰地看到鞭毛马达的结构后，不得不惊叹于大自然和生命的奇妙。这是一个6.3兆达尔顿(MDa)的超大复合物，高约460埃，直径约260埃，包含了12种不同的蛋白质，总共有175个亚基。”朱永群说，整体结构非常漂亮而且精密，分别由内膜分泌装置、内膜环、周质环、外膜环和联动杆以及胞外接头装置组成，每一部分之间的相互联系和作用是非常精妙和恰到好处的，做到了天衣无缝。
正因为这些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。细菌有了如此非凡的“风火轮”装备，进而得以快速运动。
朱永群说，这项工作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”，我们的研究证明鞭毛马达的扭矩传输机制完全不同于ATP合成酶，说明自然界分子马达工作原理的多样性，为我们更好地了解微观世界的分子发动机奠定了基础。
张兴表示，细菌鞭毛是一个精巧复杂的机器、是自然界分子进化的杰作。这项研究通过对鞭毛马达的结构解析，不仅从原子水平揭示了其工作原理，为纳米机器的研究带来积极的启发意义，也为研究这个复杂纳米机器的起源进化提供了可靠的结构信息，为生物进化理论带来新的视角。
本报记者 林洁 通讯员 柯溢能 吴雅兰
