好神奇！細菌鞭毛上有個“馬達”，形似飛機發動機，每秒轉數千圈

大多數人對細菌的世界都很不熟悉，因為它們都無法被人眼直接看到，但實際上在生物世界中，細菌域佔據了相當大的一類，而且現實中幾乎無處不在。其實很多細菌都有着十分神奇的能力，比如近日科學家們新發現在細菌的鞭毛上居然有着一個類似飛機發動機的馬達，其轉速非常快，每秒高達上千轉，神奇不神奇？

據《科技日報》4月21日報道，我國浙江大學生命科學研究院朱永羣教授團隊與醫學院的張興教授團隊合作，首次系統地揭示了沙門氏菌鞭毛馬達的組裝和扭矩傳輸機制，解碼了這種細菌的運動機理。

有70%的細菌有鞭毛這種器官，這些細菌也主要靠鞭毛的擺動來活動，先前科學家們沒有認真研究鞭毛這種器官的結構，認為它純粹是靠擺動來活動的，但是朱永羣和張興教授的團隊通過高倍率電子顯微鏡發現鞭毛是由細菌膜上的馬達、胞外的接頭裝置和鞭毛絲組成的。其中的鞭毛馬達特別神奇，它看上去就像是戰鬥機類飛機上的渦扇發動機，但並不是向外噴出東西，而是能夠旋轉，而且速度非常快，每秒鐘就可旋轉300—2400圈，這速度比我們平時使用的打孔機等大多數的能旋轉的機器的轉速都快。

生活中離不開汽車等帶輪子的交通工具，軸承和轉輪幾乎是我們人類社會不可或缺的機械，在動植物界，沒有一種生物進化出了具有軸承機械原理的可以旋轉的器官，沒想到在細菌界中，大部分的細菌都有這種結構，這真的是一個讓人十分吃驚的發現。

此前，科學家們對細菌鞭毛馬達的詳細結構，組件情況，運作機制等並不清晰，也不知道鞭毛馬達的工作原理（如何實現高效扭矩傳輸進而驅動鞭毛絲高速運轉），上述的我國科學家通過詳細的針對性的研究，解開了這些謎團——在進行這項研究時，研究者們設計出了十分温和的鞭毛馬達純化步驟，獲得了完整而穩定的鞭毛馬達與接頭裝置複合物樣品，然後應用浙江大學的300千伏冷凍電鏡平台，終於清晰觀測到了鞭毛馬達的不同組件。

就如同驅動一輛車所需要的樁子一樣，小小的鞭毛馬達擁有的組建，包括了包括聯動杆、外膜環、周質環、內膜環、分泌裝置以及接頭裝置等，這一套套的組件就完美地配置在只有26納米的鞭毛馬達上，製造了一個如同飛機發動機的結構，所以稱其為“馬達”也是非常合適的，該“馬達”由175個蛋白質亞基組成，分子質量約為6.3MDA（極小的分子量單位），雖然小但是結構很複雜。

而通過觀察細菌及細菌鞭毛的運動也能發現，細菌的鞭毛也是通過鞭毛馬達旋轉產生動力，再通過扭矩傳輸給接頭裝置，進而帶動鞭毛絲運動，這樣整條鞭毛就會如螺旋槳般推動細菌向前運動，相比較而言，它的速度也相當快，1秒鐘就可以跑出相當於自身長度數十倍的距離，如果我們人類有這樣的速度，那麼百米賽只需要一秒鐘就能跑完，可見細菌的鞭毛馬達動力是非常強勁的。

這樣看來，一個細菌也可以説就是一台機器，只是它小到了納米的級別層次上，具體來説它就是一種超分子蛋白質機器，而鞭毛馬達就是它運動時動力來源的發動機。那麼鞭毛馬達是如何啓動和運動的呢？什麼力量或者説能量激發了鞭毛馬達的高數旋轉呢？研究團隊通過觀測和分析發現其上含有質子泵，可以通過轉運氫離子帶動質子泵的轉動，相當於將化學能轉變為成了機械能，這樣一來就可以將扭矩傳給鞭毛馬達的內膜環，促成內膜環的轉動起來，研究團隊主導者之一的張興還稱：“（鞭毛馬達）內部各個結構元件之間的相互配合十分精妙，可使鞭毛馬達將質子泵獲取的機械能迅速傳給鞭毛絲促其高速轉動。這是不是十分巧妙？

這項研究的相關論文日前發表於國際頂級期刊《細胞》上，文章揭示了微觀世界中細菌運動的部分原理，從原子的層面揭示了鞭毛馬達的結構和工作原理，為細胞學研究指出了新方向，也為生命科學和生物進化論。提供了新的證據和課題，併為今後抗生素的設計提供了新的思路。

參考資料：

《科技日報》4月21日文章《新發現！讓細菌高速運動的“馬達”結構被成功解析》