研究揭示細菌復雜鞭毛馬達的結構組裝和演化

鞭毛是驅動細菌細胞運動的重要納米機器，在海洋等多種環境中協助細菌實現空間遷移與環境響應。不同細菌的鞭毛結構差異明顯，以往研究主要集中于結構簡單的模式菌株大腸桿菌和沙門氏菌的馬達。然而，自然界中大多數細菌存在更為復雜的鞭毛馬達，其額外結構的組成、組裝時序以及進化路徑缺乏系統研究，限制了學界對細菌馬達多樣性和運動機制的理解。空腸彎曲菌具有高度復雜的鞭毛馬達結構，為研究該問題提供了理想模型。

近日，中國科學院南海海洋研究所研究團隊基于前期研究，圍繞細菌復雜鞭毛馬達的精細結構、組裝時序與演化路徑開展了系統研究。

團隊構建了空腸彎曲菌復雜鞭毛馬達近乎完整的結構模型，解析了成分一直未知的周質E環、由FcpMNO和PflD組成的外周籠、以及PflA輻條—PflB輪圈復合體的精細結構及其互作細節。這些復雜支架結構通過精密的互作網絡，穩定了多達17個定子單元，從而產生超高轉矩，為鞭毛提供了強大動力，以適應復雜環境。

研究還報道了復雜支架蛋白的表達調控機制及其組裝次序，發現內膜錨定支架與定子復合體的組裝早于鞭毛桿形成，這表明鞭毛基因表達受到嚴格的時空順序調控，遵循由內而外的層級化組裝邏輯。該體系中的組裝順序，明顯區別于經典模型中定子在鞭毛桿和鞭毛鉤之后組裝的模式，且復雜馬達中的定子數目保持恒定，也不同于經典模型中定子動態交換的機制。

進化分析顯示，籠狀結構是彎曲菌門的特有結構，而E環和輻條結構廣泛存在于多種具有鞭毛的物種中，這暗示其或起源于細菌共同祖先，演化歷史久遠。研究進一步揭示，彎曲菌門自深海熱液口祖先開始，其鞭毛馬達“借用”了IV型菌毛系統的部分結構單元，形成了包裹定子復合體的輻條與籠狀結構，是細菌大分子機器演化過程中一次典型的“拓展適應”事件。

該研究響應了“向極微觀深入”的科學研究前沿趨勢，在結構和進化層面深化了對細菌納米馬達的認知，揭示了一系列不同于經典模型的新組分和新機制。研究成果為理解復雜分子機器的結構創新、功能適應及其在不同生態環境中的演化路徑提供了重要理論依據，也有助于進一步闡釋納米機器的起源與進化，并為基于合成生物學手段對其進行改造與利用奠定基礎。

相關成果發表在《自然-微生物》（Nature Microbiology）上。相關研究得到國家自然科學基金委員會、國家重點研發計劃等的支持。

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