科学探索|细菌是如何移动的？困扰科学家50年的谜团终于被揭开细菌是如何移动的？困扰科学

来自弗吉尼亚大学医学院的研究人员和他们的同事已经解决了关于大肠杆菌和其他细菌如何移动的一个长期之谜。细菌通过将它们长长的线状附属物卷成开瓶器形状来向前移动，这些附属物可以作为临时的“螺旋桨” 。然而，由于这些“螺旋桨”是由单一的蛋白质形成的，专家们对它们究竟是如何做到这一点感到困惑。
【科学探索|细菌是如何移动的？困扰科学家50年的谜团终于被揭开】
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由弗吉尼亚大学的Edward H. Egelman博士领导的一个国际小组已经解决了这个问题，他是冷冻电子显微镜（cryo-EM）这一高科技领域的先驱。研究人员利用低温电子显微镜和强大的计算机建模，揭示了传统光学显微镜无法看到的东西：这些“螺旋桨”在单个原子层面的不寻常结构。
弗吉尼亚大学生物化学和分子遗传学系的Egelman说：“虽然50年来一直存在着这些细丝如何形成如此规则的盘绕形状的模型，但我们现在已经以原子细节确定了这些细丝的结构。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可能基于这种微型推进器的技术铺平道路。”
不同的细菌都有一个或多个被称为鞭毛的附属物。一个鞭毛是由成千上万的亚单位组成的，所有这些亚单位都是相同的。你会想象这样的尾巴会是直的，或者至少有些灵活，但它会阻止细菌移动。这是由于这样的形状不能产生推力。需要一个旋转的、类似开瓶器的“螺旋桨”来推动细菌前进。科学家们把这种形状的发展称为 “超级卷曲” ，经过50多年的研究，他们现在知道了细菌是如何做到这一点的。

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Egelman和他的同事利用低温电镜发现，构成鞭毛的蛋白质可能以11种不同的状态存在。开瓶器的形状是由这些状态的精确组合形成的。
人们已经知道，细菌中的螺旋桨与被称为古细菌的酣畅淋漓的单细胞生物所使用的类似螺旋桨有很大不同。在地球上一些最极端的环境中发现了古细菌，例如在几乎沸腾的酸池、海洋的最底层和地下深处的石油矿藏中。
Egelman及其同事使用冷冻电子显微镜检查了一种古细菌Saccharolobus islandicus的鞭毛，并发现形成其鞭毛的蛋白质以10种不同的状态存在。虽然细节与研究人员在细菌中看到的有很大不同，但结果是一样的，丝状物形成了规则的“开瓶器” 。他们得出结论，这是一个“趋同进化”的例子--当自然界通过非常不同的手段得出类似的解决方案。这表明，即使细菌和古细菌的“螺旋桨”在形式和功能上很相似，但这些生物是独立进化出这些特征的。
“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，细菌和古细菌的进化在两者中都汇聚到了类似的游泳解决方案上。”Egelman说，他之前的成像工作使他入选了美国国家科学院，这是一个科学家可以获得的最高荣誉之一。“由于这些生物结构是在数十亿年前出现在地球上的，所以了解它们所花的50年时间可能看起来并不长。”