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新研究揭示細(xì)菌復(fù)雜鞭毛馬達(dá)的結(jié)構(gòu)組裝和演化
作者：朱漢斌  來源：中國科學(xué)報(bào)
山東拓普生物工程有限公司  http://521google.com.cn
1月9日，《自然-微生物》在線發(fā)表于中國科學(xué)院南海海洋研究所研究員高貝樂團(tuán)隊(duì)與美國耶魯大學(xué)教授劉駿團(tuán)隊(duì)、山東大學(xué)教授高翔團(tuán)隊(duì)合作最新成果。他們成功揭示了細(xì)菌復(fù)雜鞭毛馬達(dá)的精細(xì)結(jié)構(gòu)、組裝時序與演化路徑。據(jù)悉，該研究整體科學(xué)構(gòu)想與研究設(shè)計(jì)由高貝樂、劉駿共同提出并主導(dǎo)完成。
鞭毛是驅(qū)動細(xì)菌細(xì)胞運(yùn)動的重要納米機(jī)器，在海洋等多種環(huán)境中協(xié)助細(xì)菌實(shí)現(xiàn)空間遷移與環(huán)境響應(yīng)。不同細(xì)菌的鞭毛結(jié)構(gòu)差異顯著，以往研究主要集中于結(jié)構(gòu)簡單的模式菌株大腸桿菌和沙門氏菌的馬達(dá)。然而，自然界中的大多數(shù)細(xì)菌存在更為復(fù)雜的鞭毛馬達(dá)，其額外結(jié)構(gòu)的組成、組裝時序以及進(jìn)化路徑缺乏系統(tǒng)研究，限制了我們對細(xì)菌馬達(dá)的多樣性和運(yùn)動機(jī)制的全面理解�？漳c彎曲菌具有高度復(fù)雜的鞭毛馬達(dá)結(jié)構(gòu)，為研究該問題提供了理想模型。
研究團(tuán)隊(duì)前期研究揭示了空腸彎曲菌馬達(dá)的胞質(zhì)部分存在一個四聚體PilZ家族蛋白FlgX，并且該蛋白復(fù)合體處于經(jīng)典模型中的定子與轉(zhuǎn)子結(jié)合界面，因此阻礙了定子與轉(zhuǎn)子的結(jié)合，說明該復(fù)雜馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)機(jī)制區(qū)別于經(jīng)典模型。
在國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目資助下，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步構(gòu)建了空腸彎曲菌復(fù)雜鞭毛馬達(dá)近乎完整的結(jié)構(gòu)模型，解析了自1979年發(fā)現(xiàn)以來成分一直未知的周質(zhì)E環(huán)、由FcpMNO和PflD組成的外周籠、以及PflA輻條-PflB輪圈復(fù)合體的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其互作細(xì)節(jié)。這些復(fù)雜支架結(jié)構(gòu)通過精密的互作網(wǎng)絡(luò)，穩(wěn)定了多達(dá)17個定子單元，從而產(chǎn)生超高轉(zhuǎn)矩，為鞭毛提供了強(qiáng)大的動力以適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境。
該研究還首次報(bào)道了復(fù)雜支架蛋白的表達(dá)調(diào)控機(jī)制及其組裝次序，發(fā)現(xiàn)內(nèi)膜錨定支架與定子復(fù)合體的組裝早于鞭毛桿形成，表明鞭毛基因的表達(dá)受到嚴(yán)格的時空順序調(diào)控，遵循由內(nèi)而外的層級化組裝邏輯。此外，該體系中的組裝順序明顯區(qū)別于經(jīng)典模型中定子在鞭毛桿和鞭毛鉤之后組裝的模式；同時，復(fù)雜馬達(dá)中的定子數(shù)目保持恒定，也不同于經(jīng)典模型中定子的動態(tài)交換的機(jī)制。
進(jìn)化分析顯示，籠狀結(jié)構(gòu)是彎曲菌門的特有結(jié)構(gòu)，而E環(huán)和輻條結(jié)構(gòu)廣泛存在于多種具有鞭毛的物種中，暗示其可能起源于細(xì)菌共同祖先，演化歷史久遠(yuǎn)。研究進(jìn)一步揭示，彎曲菌門自深海熱液口祖先開始，其鞭毛馬達(dá)“借用”了IV型菌毛系統(tǒng)的部分結(jié)構(gòu)單元，形成了包裹定子復(fù)合體的輻條與籠狀結(jié)構(gòu)，是細(xì)菌大分子機(jī)器演化過程中一次典型的“拓展適應(yīng)”事件。
該研究響應(yīng)了“向極微觀深入”的科學(xué)研究前沿趨勢，在結(jié)構(gòu)和進(jìn)化層面深化了對細(xì)菌納米馬達(dá)的認(rèn)知，揭示了一系列不同于經(jīng)典模型的新組分和新機(jī)制。相關(guān)成果為理解復(fù)雜分子機(jī)器的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、功能適應(yīng)及其在不同生態(tài)環(huán)境中的演化路徑提供了重要理論依據(jù)，同時也有助于進(jìn)一步闡釋納米機(jī)器的起源與進(jìn)化，并為基于合成生物學(xué)手段對其進(jìn)行改造與利用奠定基礎(chǔ)。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41564-025-02248-5
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