中國科大物理系袁軍華、張榕京課題組發(fā)展流場單分子施力技術(shù)，用于精確測量活細(xì)菌鞭毛鉤的抗彎剛度，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌鞭毛鉤在逆時針和順時針旋轉(zhuǎn)下的不同彎曲剛度，這種不對稱性使得多鞭毛細(xì)菌的游動具有魯棒性。該研究結(jié)果于3月30日發(fā)表在《物理評論快報》上[Phys. Rev. Lett. 130, 138401 (2023)]。
細(xì)菌的運動對于它們的生存和感染宿主至關(guān)重要。細(xì)菌鞭毛旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的游動是細(xì)菌最為典型的運動機(jī)制。大腸桿菌通過調(diào)節(jié)其鞭毛馬達(dá)的轉(zhuǎn)向（順時針或逆時針）、以交替“直線游動?原地翻滾”的方式進(jìn)行隨機(jī)行走來探索環(huán)境。鞭毛鉤是一段長55納米、直徑15納米的柔性桿，是將鞭毛馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)傳遞到鞭毛絲的萬向接頭，是推動細(xì)菌游動的鞭毛的重要組成部分。鞭毛鉤的力學(xué)性質(zhì)對鞭毛實現(xiàn)正常功能至關(guān)重要。在大腸桿菌等周身多鞭毛細(xì)菌中，鞭毛鉤必須足夠柔軟，這樣當(dāng)鞭毛馬達(dá)逆時針轉(zhuǎn)動時，鞭毛鉤可以彎曲，使得多根鞭毛絲在細(xì)菌胞體的一端形成連貫旋轉(zhuǎn)的鞭毛束；另一方面，鞭毛鉤也必須足夠剛性，這樣當(dāng)馬達(dá)順時針轉(zhuǎn)動時，鞭毛束可以散開，使得細(xì)菌原地翻滾以改變游動方向。在本研究中，課題組發(fā)展了流場單分子施力技術(shù)（圖1），結(jié)合彈性桿力學(xué)模型，精確測量了活細(xì)菌鞭毛鉤在順時針和逆時針轉(zhuǎn)向下的抗彎剛度，闡明了鞭毛鉤如何實現(xiàn)這一雙重功能：鞭毛鉤在順時針轉(zhuǎn)向下變硬，順時針轉(zhuǎn)向下彎曲剛度是逆時針下的兩倍。這使得多鞭毛細(xì)菌實現(xiàn)了魯棒的“直線游動?原地翻滾”運動能力。
圖1.（a）流場單分子施力示意圖。細(xì)菌粘在玻璃片上，紅色代表鞭毛鉤，黃色代表切短的鞭毛絲，白球代表0.5微米直徑的微珠，標(biāo)記于鞭毛絲以觀測鞭毛馬達(dá)轉(zhuǎn)動。（b）微珠在三維空間的圓形旋轉(zhuǎn)軌跡（紫色）投影到二維觀測平面時為橢圓（黃色）。（c-g）通過橢圓的偏心率可以測量不同流場力下鞭毛鉤的彎曲角。
在自然界中存在種類豐富的鞭毛細(xì)菌，鞭毛鉤的力學(xué)性質(zhì)在各種鞭毛細(xì)菌的不同運動模式中起著關(guān)鍵作用，比如課題組之前在極性單鞭毛細(xì)菌-銅綠假單胞菌中發(fā)現(xiàn)的wrap游動新模式[PNAS 119,e2120508119 (2022)]，就是由其鞭毛鉤足夠柔性的抗彎剛度實現(xiàn)的。課題組發(fā)展的精確測量鞭毛鉤力學(xué)性質(zhì)的方法，可以方便地用于其他種類細(xì)菌的測量中。本研究結(jié)果對于理解細(xì)菌運動機(jī)制和設(shè)計新型微納機(jī)器人具有重要意義。
課題組研究生張馨文、副研究員張馳是本文共同第一作者。上述研究得到了國家自然科學(xué)基金委及科技部基金的支持。
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https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.130.138401
（物理系、科研部）
