Nat Microbiol：细菌“动力引擎”！南海海洋所高贝乐等合作揭示细菌复杂鞭毛马达的结构组装和演化

关于细菌鞭毛的知识很大程度上来自于对大肠杆菌和肠道沙门氏菌的简单马达的研究。然而，许多细菌拥有更复杂的马达。与这种辅助运动结构相关的功能、机制和进化尚不清楚。

2026年1月9日，中国科学院南海海洋研究所高贝乐、美国耶鲁大学刘骏和山东大学高翔共同通讯在Nature Microbiology在线发表题为“Structural insights into the assembly and evolution of a complex bacterial flagellar motor”的研究论文。该研究对复杂细菌鞭毛马达组装和进化进行了结构解析。在结构和进化层面深化了对细菌纳米马达的认知，揭示了一系列不同于经典模型的新组分和新机制。

鞭毛马达是复杂的、高度多样化的纳米机器，存在于细菌物种中。其中，经典的模式生物大肠杆菌和肠道沙门氏菌具有简单的鞭毛运动结构。在大肠杆菌模型的内膜和外膜之间，马达由一个MS环和一个中心杆组成，中心杆分别在肽聚糖层和外膜处被P环和L环包围。马达旋转由定子复合体驱动，定子复合体利用质子原动力产生扭矩。然而，许多物种的鞭毛马达在周质中的中央杆周围具有辅助结构。这些额外的部件如何有助于马达的组装、结构和功能还没有被很好地理解。

人类病原体空肠弯曲杆菌在每个细胞极中都有一个复杂的鞭毛马达。遗传、功能和结构检测显示弯曲杆菌白颈鞭毛运动中还有三个额外的椎间盘。一个由FlgP组成的大型外膜基底盘环绕着P环，基底盘下方由PflC和PflD组成的内侧椎间盘以及含有PflA和PflB的内膜近端盘。这些支架在稳定定子配合物以保证运动方面起着重要作用。

空肠弯曲杆菌鞭毛运动模型（图源自Nature Microbiology）

在这里，研究人员利用结构，遗传，生化和功能的方法来表征空肠弯曲杆菌鞭毛运动的复杂适应。研究人员观察到一个由MS环周围的17个FlgY同源二聚体形成的E环，一个由FcpMNO和PflD组成的笼状结构，以及E环和笼之间辐条-轮缘结构中的PflA-PflB相互作用。这些支架稳定了17个产生扭矩的定子复合体。系统发育分析表明E环和辐条在不同鞭毛细菌中的古老起源和广泛流行，以及在弯曲杆菌门的祖先运动中IV型菌毛成分的共选择。

总的来说，这些数据提供了对复杂鞭毛马达的组装、功能和进化的深入了解，这为理解复杂分子机器的结构创新、功能适应及其在不同生态环境中的演化路径提供了重要理论依据，同时也有助于进一步阐释纳米机器的起源与进化，并为基于合成生物学手段对其进行改造与利用奠定基础。

参考信息：https://www.nature.com/articles/s41564-025-02248-5