令人难以置信的图像以前所未有的细节揭示细菌运动部

纳米三维成像技术揭示了不同的细菌如何使其微型螺旋桨马达适应各种游泳能力。许多细菌使用鞭毛游动 - 长尾巴附着在由蛋白质制成的微型马达上，只有几十纳米宽。这些马达旋转鞭毛，鞭毛作为纳米级螺旋桨起作用，驱使细菌前进。

尽管不同细菌中的马达具有相同的核心结构，但是不同的细菌在其游泳能力方面变化很大。例如，导致食物中毒的空肠弯曲杆菌可以有力游动，足以穿过肠道内的粘液，这个环境太厚而且粘稠，不能让其他细菌通过。

游泳能力差异的原因一直不明确 - 直到现在。使用帝国烟草公司最近安装的高功率电子显微镜，由生命科学系的Morgan Beeby博士领导的一组研究人员能够以前所未有的细节可视化这些电机。他们对这些电机的可视化解释了游泳能力的差异，数学上考虑了电机功率的差异。这项工作发表在美国国家科学院院刊上。

细菌鞭毛马达在旋转机构上工作，旋转其长鞭毛尾部以产生螺旋状螺旋桨运动。该团队发现，强大的游泳运动员通过在其电机中添加额外部件而进化，制造出更强大的电机，这些电机具有更大的转动力或扭矩。

在鞭毛马达中，转动力是由一圈称为定子的结构产生的。研究小组发现空肠弯曲杆菌的定子数量几乎是沙门氏菌定位的两倍，并且这些结构位于更宽的环中。更多的定子提供增加的扭矩，并且增加的环的宽度意味着各个定子在旋转螺旋螺旋桨时施加更多的杠杆作用。

然而，并非所有细菌都需要如此强大并且在胃粘液等粘性环境中游动。相反，该团队研究的另一种细菌是霍乱弧菌(一种引起霍乱的细菌)的近亲，它已经进化出一种只有中等功率的马达。

“这是我们第一次能够看到并解释这些纳米级分子机器如何在细菌中进化以在新环境中定殖，”Beeby博士说。“这是对地球上进化的令人敬畏的生命多样性的一种迷人洞察，也提供了可能的药物目标。我们可能能够设计出仅在目标细菌物种中专门破坏鞭毛的药物。”

该团队使用一种称为电子冷冻断层扫描的方法将细菌迅速冷冻至-180℃。这可以防止冰晶形成，从而破坏结构，使研究人员能够从各个角度对闪光冷冻电机进行成像，并建立3D模型。

通过观察来自进化树不同分支的远缘细菌，该团队推测以这种方式改变扭矩的能力可能已经发展到20亿年前。

“细菌家族树的整个分支已经进化出具有不同扭矩的马达，导致各种物种都适合自己的环境，”Beeby博士说。该团队正在研究如何以及何时发生改变电机扭矩的演化步骤。