大多數(shù)人對(duì)細(xì)菌的世界都很不熟悉，因?yàn)樗鼈兌紵o法被人眼直接看到，但實(shí)際上在生物世界中，細(xì)菌域占據(jù)了相當(dāng)大的一類，而且現(xiàn)實(shí)中幾乎無處不在。其實(shí)很多細(xì)菌都有著十分神奇的能力，比如近日科學(xué)家們新發(fā)現(xiàn)在細(xì)菌的鞭毛上居然有著一個(gè)類似飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的馬達(dá)，其轉(zhuǎn)速非?？?，每秒高達(dá)上千轉(zhuǎn)，神奇不神奇？

據(jù)《科技日?qǐng)?bào)》4月21日?qǐng)?bào)道，我國浙江大學(xué)生命科學(xué)研究院朱永群教授團(tuán)隊(duì)與醫(yī)學(xué)院的張興教授團(tuán)隊(duì)合作，首次系統(tǒng)地揭示了沙門氏菌鞭毛馬達(dá)的組裝和扭矩傳輸機(jī)制，解碼了這種細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。

有70%的細(xì)菌有鞭毛這種器官，這些細(xì)菌也主要靠鞭毛的擺動(dòng)來活動(dòng)，先前科學(xué)家們沒有認(rèn)真研究鞭毛這種器官的結(jié)構(gòu)，認(rèn)為它純粹是靠擺動(dòng)來活動(dòng)的，但是朱永群和張興教授的團(tuán)隊(duì)通過高倍率電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)鞭毛是由細(xì)菌膜上的馬達(dá)、胞外的接頭裝置和鞭毛絲組成的。其中的鞭毛馬達(dá)特別神奇，它看上去就像是戰(zhàn)斗機(jī)類飛機(jī)上的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，但并不是向外噴出東西，而是能夠旋轉(zhuǎn)，而且速度非?？欤棵腌娋涂尚D(zhuǎn)300—2400圈，這速度比我們平時(shí)使用的打孔機(jī)等大多數(shù)的能旋轉(zhuǎn)的機(jī)器的轉(zhuǎn)速都快。

生活中離不開汽車等帶輪子的交通工具，軸承和轉(zhuǎn)輪幾乎是我們?nèi)祟惿鐣?huì)不可或缺的機(jī)械，在動(dòng)植物界，沒有一種生物進(jìn)化出了具有軸承機(jī)械原理的可以旋轉(zhuǎn)的器官，沒想到在細(xì)菌界中，大部分的細(xì)菌都有這種結(jié)構(gòu)，這真的是一個(gè)讓人十分吃驚的發(fā)現(xiàn)。

此前，科學(xué)家們對(duì)細(xì)菌鞭毛馬達(dá)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，組件情況，運(yùn)作機(jī)制等并不清晰，也不知道鞭毛馬達(dá)的工作原理（如何實(shí)現(xiàn)高效扭矩傳輸進(jìn)而驅(qū)動(dòng)鞭毛絲高速運(yùn)轉(zhuǎn)），上述的我國科學(xué)家通過詳細(xì)的針對(duì)性的研究，解開了這些謎團(tuán)——在進(jìn)行這項(xiàng)研究時(shí)，研究者們?cè)O(shè)計(jì)出了十分溫和的鞭毛馬達(dá)純化步驟，獲得了完整而穩(wěn)定的鞭毛馬達(dá)與接頭裝置復(fù)合物樣品，然后應(yīng)用浙江大學(xué)的300千伏冷凍電鏡平臺(tái)，終于清晰觀測(cè)到了鞭毛馬達(dá)的不同組件。

就如同驅(qū)動(dòng)一輛車所需要的樁子一樣，小小的鞭毛馬達(dá)擁有的組建，包括了包括聯(lián)動(dòng)桿、外膜環(huán)、周質(zhì)環(huán)、內(nèi)膜環(huán)、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(dá)上，制造了一個(gè)如同飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，所以稱其為“馬達(dá)”也是非常合適的，該“馬達(dá)”由175個(gè)蛋白質(zhì)亞基組成，分子質(zhì)量約為6.3MDA（極小的分子量單位），雖然小但是結(jié)構(gòu)很復(fù)雜。

而通過觀察細(xì)菌及細(xì)菌鞭毛的運(yùn)動(dòng)也能發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌的鞭毛也是通過鞭毛馬達(dá)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生動(dòng)力，再通過扭矩傳輸給接頭裝置，進(jìn)而帶動(dòng)鞭毛絲運(yùn)動(dòng)，這樣整條鞭毛就會(huì)如螺旋槳般推動(dòng)細(xì)菌向前運(yùn)動(dòng)，相比較而言，它的速度也相當(dāng)快，1秒鐘就可以跑出相當(dāng)于自身長(zhǎng)度數(shù)十倍的距離，如果我們?nèi)祟愑羞@樣的速度，那么百米賽只需要一秒鐘就能跑完，可見細(xì)菌的鞭毛馬達(dá)動(dòng)力是非常強(qiáng)勁的。

這樣看來，一個(gè)細(xì)菌也可以說就是一臺(tái)機(jī)器，只是它小到了納米的級(jí)別層次上，具體來說它就是一種超分子蛋白質(zhì)機(jī)器，而鞭毛馬達(dá)就是它運(yùn)動(dòng)時(shí)動(dòng)力來源的發(fā)動(dòng)機(jī)。那么鞭毛馬達(dá)是如何啟動(dòng)和運(yùn)動(dòng)的呢？什么力量或者說能量激發(fā)了鞭毛馬達(dá)的高速旋轉(zhuǎn)呢？研究團(tuán)隊(duì)通過觀測(cè)和分析發(fā)現(xiàn)其上含有質(zhì)子泵，可以通過轉(zhuǎn)運(yùn)氫離子帶動(dòng)質(zhì)子泵的轉(zhuǎn)動(dòng)，相當(dāng)于將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)槌闪藱C(jī)械能，這樣一來就可以將扭矩傳給鞭毛馬達(dá)的內(nèi)膜環(huán)，促成內(nèi)膜環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)起來，研究團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)者之一的張興還稱：“（鞭毛馬達(dá)）內(nèi)部各個(gè)結(jié)構(gòu)元件之間的相互配合十分精妙，可使鞭毛馬達(dá)將質(zhì)子泵獲取的機(jī)械能迅速傳給鞭毛絲促其高速轉(zhuǎn)動(dòng)。這是不是十分巧妙？

這項(xiàng)研究的相關(guān)論文日前發(fā)表于國際頂級(jí)期刊《細(xì)胞》上，文章揭示了微觀世界中細(xì)菌運(yùn)動(dòng)的部分原理，從原子的層面揭示了鞭毛馬達(dá)的結(jié)構(gòu)和工作原理，為細(xì)胞學(xué)研究指出了新方向，也為生命科學(xué)和生物進(jìn)化論。提供了新的證據(jù)和課題，并為今后抗生素的設(shè)計(jì)提供了新的思路。

參考資料：

《科技日?qǐng)?bào)》4月21日文章《新發(fā)現(xiàn)！讓細(xì)菌高速運(yùn)動(dòng)的“馬達(dá)”結(jié)構(gòu)被成功解析》