<var id="zjvfl"></var>
<cite id="zjvfl"><video id="zjvfl"></video></cite><var id="zjvfl"><strike id="zjvfl"></strike></var>
<cite id="zjvfl"><span id="zjvfl"><thead id="zjvfl"></thead></span></cite>
<var id="zjvfl"></var>
<cite id="zjvfl"><video id="zjvfl"></video></cite>
<cite id="zjvfl"><span id="zjvfl"><var id="zjvfl"></var></span></cite>
<cite id="zjvfl"></cite>
<var id="zjvfl"></var> <cite id="zjvfl"><strike id="zjvfl"></strike></cite>
<var id="zjvfl"></var>
<menuitem id="zjvfl"><dl id="zjvfl"></dl></menuitem><var id="zjvfl"></var>
<var id="zjvfl"></var>
<cite id="zjvfl"></cite><var id="zjvfl"><strike id="zjvfl"></strike></var>
當前位置:首頁  科學頭條

這個“馬達”,妙哉!

浙大最新研究揭開病原菌“飛毛腿”的奧秘,成果登上《細胞》期刊

發布時間:2021-04-21來源:浙大新聞辦作者:柯溢能 吳雅蘭 盧紹慶455

1秒鐘可以跑出自己身長60、甚至100倍的距離,這是很多細菌具有的運動能力,遠超地球上跑得最快的動物獵豹,就連高鐵也望塵莫及。

17世紀列文虎克第一次觀察到能夠移動的細菌后,細菌運動能力及其機制引起了廣大科學家們的強烈興趣。細菌是怎么跑得這么快的?它是什么樣的跑法?是什么樣的裝置能驅動這么快的運動速度?運動的力量是怎么傳遞的?一連串的疑問盤繞在科學家們的腦海里,很多微生物學家、生物化學家、生物物理學家等加入這一研究領域,然而很多疑問依然有待解開。

近日,浙江大學生命科學研究院朱永群教授團隊與醫學院張興教授團隊合作,聯合揭示了沙門氏菌鞭毛馬達的原子分辨率結構,通過對鞭毛馬達扭矩傳輸機制的剖析,解開了困惑學界幾十年的細菌鞭毛馬達工作原理難題,揭開了細菌跑得快的秘密,為抗生素設計提供了新思路。

這一研究刊發在北京時間4月20日上線的國際頂級期刊《細胞》(Cell),論文通訊作者為朱永群教授和張興教授,第一作者為博士研究生譚加興、張興教授、博士后王小飛和博士研究生徐彩煌。參與合作的還有生科院高海春教授實驗室和周艷研究員實驗室。


細菌有絕招

細菌與人類等其他生物具有漫長的生物共進化過程,這是一個相互斗智斗勇、趨利避害的競爭游戲。為了獲得豐富的營養物質“改善伙食”,為了避免被人類免疫系統追殺,或者為了成功找到適宜的生存和感染的位置,細菌進化出了快速“游動”的能力。

細菌這一快速游動的能力是基于一個特殊的運動器官——鞭毛。鞭毛是從細菌內部長出的又細又長的絲狀物,由在細菌膜上的馬達、胞外的接頭裝置和鞭毛絲組成。鞭毛馬達旋轉并產生動力,通過扭矩傳輸給接頭裝置,然后傳給鞭毛絲,從而帶動鞭毛絲的轉動。鞭毛絲如同螺旋槳一樣,旋轉推動細菌向前移動,如同潛水艇一般。

沙門氏菌鞭毛的示意圖

鞭毛馬達是自然界中最復雜的蛋白質機器之一,它能夠每秒鐘旋轉300-2400圈。由于其高度復雜性,鞭毛馬達一直是微生物學、生物化學、生物物理和結構生物學研究的難點和熱點。世界上70%的細菌都具有鞭毛,它是細菌基本的器官之一,也是細菌致病的關鍵武器。先前微生物遺傳學家和生物化學家對鞭毛馬達進行了大量的研究,對鞭毛馬達進行了很多描述,然而其工作原理依然很不清楚。

“為了解決這一世界難題,我們希望解析它的高分辨結構。我們碰到的第一個難點就是如何完整地提取鞭毛馬達,它太大了!”朱永群說。團隊經過大量的嘗試,通過遺傳改造的方法,改變了傳統極易破壞結構的酸堿處理法,設計出溫和的純化步驟,最終獲得了來源于沙門氏菌的完整的鞭毛馬達與接頭裝置的復合物樣品,與浙江大學冷凍電鏡中心主任張興教授合作,利用300千伏冷凍電鏡平臺,收集了冷凍電鏡數據,首次解析了原子分辨率的鞭毛馬達結構。

“當我們清晰地看到鞭毛馬達的結構后,不得不驚嘆于大自然和生命的奇妙。這是一個6.3兆達爾頓(MDa)的超大復合物,高約460埃,直徑約260埃,包含了12種不同的蛋白質,總共有175個亞基?!敝煊廊赫f,整體結構非常漂亮而且精密,分別由內膜分泌裝置、內膜環、周質環、外膜環和聯動桿以及胞外接頭裝置組成,每一部分之間的相互聯系和作用是非常精妙和恰到好處的,做到了天衣無縫。

鞭毛馬達結構(左)及其工作機制示意圖(右)


腳踏風火輪,萬里可橫行

細菌為什么能跑得那么快?浙大科研人員解析的這個鞭毛馬達結構清晰地揭示了其中的奧秘。鞭毛馬達含有質子泵,通過轉運氫離子,帶動質子泵的轉動,將化學能轉變為機械能,繼而將扭矩傳給鞭毛馬達的內膜環,促使內膜環的轉動。

內膜環結構非常特殊,它不僅可以旋轉和傳輸扭矩,而且是整個鞭毛馬達的組裝底座。內膜環底部緊緊地卡住分泌裝置,促使分泌裝置分泌各種鞭毛組裝蛋白,然后在分泌裝置上逐步地形成聯動桿,繼而形成細菌胞外的接頭裝置和鞭毛絲。組裝好的聯動桿是非常致密的螺旋桿狀結構,由5個蛋白、共46個亞基組成,其中每個亞基跟周圍的亞基相互鎖定,保證了整個聯動桿高度的剛性,以有利于扭矩傳輸和高速旋轉。聯動桿通過下端的11個亞基,延伸出6個小螺旋結構和5個loop結構(環結構),牢牢地貼在內膜環的內表面上。反過來,內膜環伸出10個多肽鏈,緊緊地抓住聯動桿的中部。這種相互作用方式克服了內膜環圓盤結構和聯動桿的螺旋結構之間的結構不對稱,實現了扭矩傳輸從水平方向轉向垂直方向。多肽鏈與內膜環通過不規則的結構區連接,同樣連接6個小螺旋結構和5個loop結構與聯動桿下端的也是不規則的結構區,這些不規則結構區既保證了柔性,又充當了履帶作用,從而將扭矩從內膜環傳到聯動桿上,然后致密的剛性聯動桿繼續將扭矩從下往上傳輸。

而周質環和外膜環各有26個亞基組成,它們像兩個大軸承,套在聯動桿的上端。外膜環的內表面全帶負電,正好與也全帶負電的聯動桿上端產生靜電互斥,大大地減小了外膜環與聯動桿之間的阻力,確保了聯動桿的高速旋轉。而周質環則圍繞聯動桿上端,與之形成一個氫鍵相互作用環。在聯動桿上端的參與這個氫鍵相互作用環形成的氨基酸殘基全部是固定的谷氨酰胺、谷氨酸、天冬酰胺等殘基,而在周質環的參與這個氫鍵環的殘基都是不變的賴氨酸和谷氨酰胺等殘基,因而在聯動桿旋轉時,周質環與聯動桿上端之間的氫鍵重建不需要能量的損耗,所以這個氫鍵環如同軸承中的鋼珠球,既能保證了聯動桿高速旋轉時不跑偏,而且不損耗扭矩傳輸的能量。聯動桿的上端和胞外接頭裝置通過緊密的管狀結構相連,保證了聯動桿的扭矩全部傳輸給接頭裝置,進而帶動鞭毛絲的轉動。

正因為這些結構的獨特性以及各個結構元件之間相互精妙的配合,鞭毛馬達能將質子泵轉化而來的機械能,毫無損耗地迅速傳給鞭毛絲,促進鞭毛絲高速轉動。細菌有了如此非凡的“風火輪”裝備,進而得以快速運動。

朱永群教授團隊與張興教授團隊一起討論研究工作


教科書級別的研究成果

細菌鞭毛是微生物學課本的基本內容,這項工作終于向人們揭開了其神秘面紗,鞭毛馬達工作機制的揭示更具有教科書級別的科學意義。一位匿名評審專家說,這是一個里程牌的結構研究工作。另一位匿名評審專家表示,這是一件杰出的研究工作,它揭示了細菌鞭毛未知部分的無與倫比的高分辨率精細結構和鞭毛馬達工作原理。

朱永群說,這項工作是細菌領域的一個重要突破,之前很多關于鞭毛馬達的推論現在被證明是不對的。自然界還有一種分子馬達叫“ATP合成酶”,我們的研究證明鞭毛馬達的扭矩傳輸機制完全不同于ATP合成酶,說明自然界分子馬達工作原理的多樣性,為我們更好地了解微觀世界的分子發動機奠定了基礎。

張興表示,細菌鞭毛是一個精巧復雜的機器、是自然界分子進化的杰作。這項研究通過對鞭毛馬達的結構解析,不僅從原子水平揭示了其工作原理,為納米機器的研究帶來積極的啟發意義,也為研究這個復雜納米機器的起源進化提供了可靠的結構信息,為生物進化理論帶來新的視角。

朱永群教授團隊與張興教授團隊在冷凍電鏡平臺前

原文鏈接:https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00430-X

(文 柯溢能 吳雅蘭/攝影 盧紹慶 部分圖片由課題組提供)

久久大量国产情侣_在线播放的a站本免费少妇_不戴乳罩露全乳的熟妇_免费老熟妇牲交大全视频中文