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顶尖学术期刊《细胞》，日前在线发表了一篇由浙江大学科研人员带来的论文。朱永群教授和张兴教授合作领衔的团队，利用冷冻电镜（cryo-EM）技术，首次以原子分辨率详细展示了细菌鞭毛马达——自然界中最高效、最精密的分子发动机之一，是如何组装并高效运转的。匿名评审专家认为，这项工作是一个里程碑式的结构研究。

很多细菌具有出色的运动能力，在短短1秒钟之内，移动距离可达自己身长的60倍、甚至100倍。这一速度足以令动物界的短跑冠军——猎豹甘拜下风。

细菌特有的运动器官被称为鞭毛，由三部分组成。其中，鞭毛马达相当于安装在细菌膜上的一个发动机，每秒钟可旋转数百到上千圈，将扭矩传输给接头装置（hook）， 然后带动鞭毛丝高 速转动，让 鞭毛丝像螺旋桨一样推动细菌移动。

作为一个复杂的蛋白质机器，细菌鞭毛马达的结构和组装极为复杂。过去几十年里，科学家们围绕鞭毛马达进行了大量研究，其详细结构和工作原理仍然是领域内长期没有解决的难题。

▲这项研究的通讯作者朱永群教授和张兴教授（图片来源：浙江大学官网）

在这篇论文中，科研团队首先对沙门氏菌（Salmonella Typhimurium）的基因组进行操作，使其产生不带鞭毛丝的鞭毛马达和接头。然后经过大量尝试，设计出温和的纯化步骤，最终成功获得完整的鞭毛马达-接头装置复合物（Flagellar motor-hook complex），通过冷冻电镜技术平台获得复合物的结构图像。

这组分子机器共含有12种不同的蛋白，由多达175个亚基组成，总分子量约为6.3MDa。为了解各个结构元件如何相互配合，研究人员还对其中的多个组件，包括联动杆（rod）、外膜-周质环（LP ring）、内膜环（MS ring）、分泌装置（export apparatus）以及接头装置（hook）进行了高分辨率结构解析。

鞭毛马达结构与工作机制的示意图（图片来源：参考资料[1]）

有趣的是，研究人员发现，鞭毛马达的扭矩传输机制与自然界另一种分子马达ATP合成酶完全不同，显现出自然界中精巧的分子发动机有着多样化的工作原理。

论文摘要总结说：“这项工作为鞭毛马达的结构、组装和扭矩传输机制提供了详细的分子知识。”

研究机构的新闻稿则指出，这项研究也为相关的合成生物学、生物物理学、纳米机器人等研究奠定了坚实的基础和提供了新的启发。

参考资料：

[1] Jiaxing Tan et al., (2021) Structural basis of assembly and torque transmission of the bacterial flagellar motor. Cell. Doi: https: //doi.org/10.1016/j.cell.2021.03.057

[2] 张兴/朱永群课题组Cell发文揭示细菌鞭毛马达结构、组装与扭矩传输机制Retrieved May 6, 2021 from http://www.zju.edu.cn/2021/0421/c32861a2308253/page.htm

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