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这个“马达”,妙哉!

浙大最新研究揭开病原菌“飞毛腿”的奥秘,成果登上《细胞》期刊

发布时间:2021-04-21来源:浙大新闻办作者:柯溢能 吴雅兰 卢绍庆455

1秒钟可以跑出自己身长60、甚至100倍的距离,这是很多细菌具有的运动能力,远超地球上跑得最快的动物猎豹,就连高铁也望尘莫及。

17世纪列文虎克第一次观察到能够移动的细菌后,细菌运动能力及其机制引起了广大科学家们的强烈兴趣。细菌是怎么跑得这么快的?它是什么样的跑法?是什么样的装置能驱动这么快的运动速度?运动的力量是怎么传递的?一连串的疑问盘绕在科学家们的脑海里,很多微生物学家、生物化学家、生物物理学家等加入这一研究领域,然而很多疑问依然有待解开。

近日,浙江大学生命科学研究院朱永群教授团队与医学院张兴教授团队合作,联合揭示了沙门氏菌鞭毛马达的原子分辨率结构,通过对鞭毛马达扭矩传输机制的剖析,解开了困惑学界几十年的细菌鞭毛马达工作原理难题,揭开了细菌跑得快的秘密,为抗生素设计提供了新思路。

这一研究刊发在北京时间4月20日上线的国际顶级期刊《细胞》(Cell),论文通讯作者为朱永群教授和张兴教授,第一作者为博士研究生谭加兴、张兴教授、博士后王小飞和博士研究生徐彩煌。参与合作的还有生科院高海春教授实验室和周艳研究员实验室。


细菌有绝招

细菌与人类等其他生物具有漫长的生物共进化过程,这是一个相互斗智斗勇、趋利避害的竞争游戏。为了获得丰富的营养物质“改善伙食”,为了避免被人类免疫系统追杀,或者为了成功找到适宜的生存和感染的位置,细菌进化出了快速“游动”的能力。

细菌这一快速游动的能力是基于一个特殊的运动器官——鞭毛。鞭毛是从细菌内部长出的又细又长的丝状物,由在细菌膜上的马达、胞外的接头装置和鞭毛丝组成。鞭毛马达旋转并产生动力,通过扭矩传输给接头装置,然后传给鞭毛丝,从而带动鞭毛丝的转动。鞭毛丝如同螺旋桨一样,旋转推动细菌向前移动,如同潜水艇一般。

沙门氏菌鞭毛的示意图

鞭毛马达是自然界中最复杂的蛋白质机器之一,它能够每秒钟旋转300-2400圈。由于其高度复杂性,鞭毛马达一直是微生物学、生物化学、生物物理和结构生物学研究的难点和热点。世界上70%的细菌都具有鞭毛,它是细菌基本的器官之一,也是细菌致病的关键武器。先前微生物遗传学家和生物化学家对鞭毛马达进行了大量的研究,对鞭毛马达进行了很多描述,然而其工作原理依然很不清楚。

“为了解决这一世界难题,我们希望解析它的高分辨结构。我们碰到的第一个难点就是如何完整地提取鞭毛马达,它太大了!”朱永群说。团队经过大量的尝试,通过遗传改造的方法,改变了传统极易破坏结构的酸碱处理法,设计出温和的纯化步骤,最终获得了来源于沙门氏菌的完整的鞭毛马达与接头装置的复合物样品,与浙江大学冷冻电镜中心主任张兴教授合作,利用300千伏冷冻电镜平台,收集了冷冻电镜数据,首次解析了原子分辨率的鞭毛马达结构。

“当我们清晰地看到鞭毛马达的结构后,不得不惊叹于大自然和生命的奇妙。这是一个6.3兆达尔顿(MDa)的超大复合物,高约460埃,直径约260埃,包含了12种不同的蛋白质,总共有175个亚基。”朱永群说,整体结构非常漂亮而且精密,分别由内膜分泌装置、内膜环、周质环、外膜环和联动杆以及胞外接头装置组成,每一部分之间的相互联系和作用是非常精妙和恰到好处的,做到了天衣无缝。

鞭毛马达结构(左)及其工作机制示意图(右)


脚踏风火轮,万里可横行

细菌为什么能跑得那么快?浙大科研人员解析的这个鞭毛马达结构清晰地揭示了其中的奥秘。鞭毛马达含有质子泵,通过转运氢离子,带动质子泵的转动,将化学能转变为机械能,继而将扭矩传给鞭毛马达的内膜环,促使内膜环的转动。

内膜环结构非常特殊,它不仅可以旋转和传输扭矩,而且是整个鞭毛马达的组装底座。内膜环底部紧紧地卡住分泌装置,促使分泌装置分泌各种鞭毛组装蛋白,然后在分泌装置上逐步地形成联动杆,继而形成细菌胞外的接头装置和鞭毛丝。组装好的联动杆是非常致密的螺旋杆状结构,由5个蛋白、共46个亚基组成,其中每个亚基跟周围的亚基相互锁定,保证了整个联动杆高度的刚性,以有利于扭矩传输和高速旋转。联动杆通过下端的11个亚基,延伸出6个小螺旋结构和5个loop结构(环结构),牢牢地贴在内膜环的内表面上。反过来,内膜环伸出10个多肽链,紧紧地抓住联动杆的中部。这种相互作用方式克服了内膜环圆盘结构和联动杆的螺旋结构之间的结构不对称,实现了扭矩传输从水平方向转向垂直方向。多肽链与内膜环通过不规则的结构区连接,同样连接6个小螺旋结构和5个loop结构与联动杆下端的也是不规则的结构区,这些不规则结构区既保证了柔性,又充当了履带作用,从而将扭矩从内膜环传到联动杆上,然后致密的刚性联动杆继续将扭矩从下往上传输。

而周质环和外膜环各有26个亚基组成,它们像两个大轴承,套在联动杆的上端。外膜环的内表面全带负电,正好与也全带负电的联动杆上端产生静电互斥,大大地减小了外膜环与联动杆之间的阻力,确保了联动杆的高速旋转。而周质环则围绕联动杆上端,与之形成一个氢键相互作用环。在联动杆上端的参与这个氢键相互作用环形成的氨基酸残基全部是固定的谷氨酰胺、谷氨酸、天冬酰胺等残基,而在周质环的参与这个氢键环的残基都是不变的赖氨酸和谷氨酰胺等残基,因而在联动杆旋转时,周质环与联动杆上端之间的氢键重建不需要能量的损耗,所以这个氢键环如同轴承中的钢珠球,既能保证了联动杆高速旋转时不跑偏,而且不损耗扭矩传输的能量。联动杆的上端和胞外接头装置通过紧密的管状结构相连,保证了联动杆的扭矩全部传输给接头装置,进而带动鞭毛丝的转动。

正因为这些结构的独特性以及各个结构元件之间相互精妙的配合,鞭毛马达能将质子泵转化而来的机械能,毫无损耗地迅速传给鞭毛丝,促进鞭毛丝高速转动。细菌有了如此非凡的“风火轮”装备,进而得以快速运动。

朱永群教授团队与张兴教授团队一起讨论研究工作


教科书级别的研究成果

细菌鞭毛是微生物学课本的基本内容,这项工作终于向人们揭开了其神秘面纱,鞭毛马达工作机制的揭示更具有教科书级别的科学意义。一位匿名评审专家说,这是一个里程牌的结构研究工作。另一位匿名评审专家表示,这是一件杰出的研究工作,它揭示了细菌鞭毛未知部分的无与伦比的高分辨率精细结构和鞭毛马达工作原理。

朱永群说,这项工作是细菌领域的一个重要突破,之前很多关于鞭毛马达的推论现在被证明是不对的。自然界还有一种分子马达叫“ATP合成酶”,我们的研究证明鞭毛马达的扭矩传输机制完全不同于ATP合成酶,说明自然界分子马达工作原理的多样性,为我们更好地了解微观世界的分子发动机奠定了基础。

张兴表示,细菌鞭毛是一个精巧复杂的机器、是自然界分子进化的杰作。这项研究通过对鞭毛马达的结构解析,不仅从原子水平揭示了其工作原理,为纳米机器的研究带来积极的启发意义,也为研究这个复杂纳米机器的起源进化提供了可靠的结构信息,为生物进化理论带来新的视角。

朱永群教授团队与张兴教授团队在冷冻电镜平台前

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

(文 柯溢能 吴雅兰/摄影 卢绍庆 部分图片由课题组提供)