Cell：破迷长达50年的谜团，新研究揭示了细菌是如何移动的

在一项新的研究中，来自美国弗吉尼亚大学医学院的研究人员和他们的合作者解决了一个数十年来关于大肠杆菌和其他细菌如何能够移动的谜团。相关研究结果发表在2022年9月15日的Cell期刊上，论文标题为“Convergent evolution in the supercoiling of prokaryotic flagellar filaments”。

细菌通过将长的、线状的附属物---鞭毛丝（flagellar filament）---卷成螺旋状的形状，作为临时的螺旋桨来推动自己前进。但是它们究竟是如何做到这一点的，让科学家们感到困惑，因为这些“螺旋桨”是由一种蛋白构成的。

在这项新的研究中，在弗吉尼亚大学医学院生物化学与分子遗传学系的Edward H. Egelman博士的领导下，这些作者破解了这个谜题。他们使用低温电镜和先进的计算机建模，揭示了传统光学显微镜无法看到的东西：这些螺旋桨在单个原子层面上的奇怪结构。

Egelman说，“虽然50年来人们提出了许多关于这些鞭毛丝如何形成如此规则的螺旋形状的模型，但是我们如今在原子分辨率上确定了这些鞭毛丝的结构。我们可以证明这些模型是错误的，我们的新认识将有助于为开发基于这些微型推进器的技术铺平道路。”

细菌的“超螺旋”蓝图

不同的细菌都有一个或多个称为鞭毛丝的附属物。一个鞭毛丝由数以千计的蛋白亚基组成，但所有这些蛋白亚基都是完全相同的。你可能认为这样的尾巴会是直的，或者最多有点弹性，但这将使细菌无法移动。

这是因为这些形状不能产生推力。它需要一种旋转的、类似开开瓶器的螺旋桨来推动细菌前进。科学家们把这种形状的形成称为“超螺旋（supercoiling）”，而如今，在50多年后，他们明白了细菌如何做到这一点。

图片来自Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.08.009。

Egelman和他的团队利用低温电镜发现，这种构成鞭毛的蛋白可以以11种不同的状态存在。正是这些状态的精确混合导致了这种超螺旋形状的形成。

人们已知道，细菌中的螺旋桨与称为古细菌的单细胞生物所使用的类似螺旋桨完全不同。在地球上一些最极端的环境---比如几乎沸腾的酸池、海洋的最底层和地下深处的石油矿藏---中发现了古细菌。

Egelman及其同事们利用低温电镜研究了古细菌Saccharolobus islandicus的鞭毛，并发现形成其鞭毛的蛋白以10种不同的状态存在。虽然细节与他们在细菌中看到的有很大不同，但结果是一样的，鞭毛丝形成了规则的螺旋桨。

他们得出结论，这是一个“趋同进化（convergent evolution）”的例子。这表明即使细菌和古细菌的螺旋桨在形式和功能上都很相似，但这些生物是独立进化出这些特征的。

Egelman说，“就像鸟类、蝙蝠和蜜蜂一样，它们都独立地进化出了用于飞行的翅膀，细菌和古细菌在游动方面也都进化类似的游泳解决方案。自从这些生物结构数十亿年前在地球上出现以来，人们花了50年的时间来理解它们似乎并不长。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Mark A.B. Kreutzberger et al. Convergent evolution in the supercoiling of prokaryotic flagellar filaments. Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.08.009.

2. Ending a 50-year mystery, scientists reveal how bacteria can move
https://phys.org/news/2022-09-year-mystery-scientists-reveal-bacteria.html