弗吉尼亚大学的科学家们已经解开了一个几十年来的谜团。
细菌通过将长长的螺纹状附属物缠绕成开瓶器形式来向前移动，这些螺旋体充当临时螺旋桨。
弗吉尼亚大学的科学家们已经解开了一个几十年来的谜团。
弗吉尼亚大学医学院的研究人员及其同事已经解决了一个关于大肠杆菌和其他细菌如何移动的长期谜团。
细菌通过将其长长的螺纹状附属物卷成开瓶器形状来向前移动，这些附件用作临时螺旋桨。然而，由于“螺旋桨”是由单一蛋白质形成的，专家们对它们究竟是如何做到这一点感到困惑的。
该案件已由UVA的爱德华·埃格尔曼博士领导的国际团队解决，他是冷冻电子显微镜（cryo-EM）高科技领域的先驱。研究人员利用冷冻电镜和强大的计算机建模来揭示传统光学显微镜无法看到的东西：这些螺旋桨在单个原子水平上的不寻常结构。
“虽然这些细丝如何形成这种规则的卷曲形状的模型已经存在了50年，但我们现在已经确定了这些细丝的原子细节结构，”UVA生物化学和分子遗传学系的Egelman说。“我们可以证明这些模型是错误的，我们的新理解将有助于为基于这种微型螺旋桨的技术铺平道路。
爱德华·埃格尔曼
弗吉尼亚大学医学院的爱德华·埃格尔曼（Edward H. Egelman）博士和他的合作者使用冷冻电子显微镜揭示了细菌如何移动，结束了50多年的谜团。在埃格尔曼之前的成像工作中，他入选了著名的美国国家科学院，这是科学家可以获得的最高荣誉之一。图片来源：丹·艾迪生·|弗吉尼亚大学传播学院
细菌“超级线圈”的蓝图
不同的细菌有一个或多个称为鞭毛的附属物，或者，复数形式的鞭毛。鞭毛由数千个亚基组成，所有这些亚基都是相同的。你可以想象这样的尾巴是直的，或者至少是灵活的，但它会阻止细菌移动。这是因为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向前移动细菌。科学家们称这种形状的发展为“超级卷轴”，经过50多年的研究，他们现在知道细菌是如何做到这一点的。
开瓶器的螺旋结构
爱德华·埃格尔曼和他的同事们发现，构成鞭毛的蛋白质可能使用冷冻电镜存在于11种不同的状态中。开瓶器的形状是由这些状态的精确组合形成的。
众所周知，细菌中的螺旋桨与称为古菌的丰盛的单细胞生物使用的类似螺旋桨完全不同。古菌存在于地球上一些最极端的环境中，例如在几乎沸腾的酸池中，海洋的最底部以及地下深处的石油沉积物中。
爱德华·埃格尔曼及其同事使用冷冻电镜检查了一种古菌的鞭毛，即岛岛性酵母菌，并发现形成其鞭毛的蛋白质存在于10种不同的状态中。虽然细节与研究人员在细菌中看到的完全不同，但结果是相同的，细丝形成规则的开瓶器形状。他们的结论是，这是“趋同进化”的一个例子——当自然界通过非常不同的方式得出类似的解决方案时。这表明，尽管细菌和古菌的螺旋桨在形式和功能上相似，但生物体独立进化出这些特征。
“与鸟类，蝙蝠和蜜蜂一样，它们都独立进化出飞行的翅膀，细菌和古菌的进化已经趋同于两者游泳的类似解决方案，”埃格尔曼说，他之前的成像工作使他入选了美国国家科学院，这是科学家可以获得的最高荣誉之一。“由于这些生物结构在数十亿年前出现在地球上，因此理解它们所需的50年似乎并不那么长。
该研究由美国国立卫生研究院，美国海军和罗伯特R.瓦格纳资助。
参考文献：
“Convergent evolution in the supercoiling of prokaryotic flagellar filaments” by Mark A.B. Kreutzberger, Ravi R. Sonani, Junfeng Liu, Sharanya Chatterjee, Fengbin Wang, Amanda L. Sebastian, Priyanka Biswas, Cheryl Ewing, Weili Zheng, Frédéric Poly, Gad Frankel, B.F. Luisi, Chris R. Calladine, Mart Krupovic, Birgit E. Scharf and Edward H. Egelman, 2 September 2022, Cell.
DOI: 10.1016/j.cell.2022.08.009