4月20日，《细胞》刊登了浙江大学生命科学研究院教授朱永群团队与该校医学院教授张兴团队合作研究成果，揭示了沙门氏菌鞭毛马达的原子分辨率结构。这是一个6.3兆道尔顿(MDa)的超大复合物，包含了12种不同的蛋白质，总共有175个亚基。研究团队通过对鞭毛马达扭矩传输机制的剖析，解开了困扰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。
细菌与人类等其他生物具有漫长的生物共进化过程。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。
鞭毛马达是自然界中最复杂的蛋白质机器之一，每秒钟能够旋转300~2400圈。世界上70%的细菌都具有鞭毛。之前微生物遗传学家和生物化学家对鞭毛马达进行了大量研究，对其进行了很多描述，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。随后，他们与浙江大学冷冻电镜中心主任张兴合作，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。
研究人员发现，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。
正因为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。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.03.057
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