史无前例的世界上最小的万向节

通过cryoEM图像分析揭示了天然超螺旋鞭毛钩的三维密​​度图和原子模型。左：侧视图；右：中央部分。

大阪大学的研究人员使用电子冷冻显微镜术以前所未有的分辨率解决了细菌鞭毛的基本成分的结构，这对新型抗生素和未来的纳米机器人具有重要意义。

大阪大学的研究人员揭示了迄今为止细菌鞭毛的重要组成部分的最完整图景，该鞭毛是用于传递旋转动力的“万向节”。这项研究可能会帮助科学家设计针对这种关键结构的新型抗菌剂，或者是受自然系统启发的仿生自走式纳米机器。

细菌细胞和鞭毛的计算机图形表示（左上），以及连接电机和细丝的钩子（右上）。钩结构的三层管模型（左下）和鞭毛马达顶部整个钩的原子模型（右下）。

许多细菌能够使用鞭毛状的“鞭毛”将自己推向食物，并远离掠食者。这些鞭毛是令人惊讶的复杂旋转机器，由多个互操作组件组成，并最终达到细胞外部的长丝螺旋桨。旋转的能量起源于细胞质内的基体，该基体起着马达的作用。但是，为了将扭矩不断变化的方向始终如一地传递到灯丝，需要一种特殊的机制，在工程领域称为“万向节”。这是一种连接装置，即使刚性杆的轴线并非始终指向同一方向，也可以将其连接起来。细菌已经进化出一种称为钩子的高效零件，该零件起着微小的万向节的作用，比我们所能制造的要小得多。

当然，科学家们长期以来一直对鞭毛的确切结构感到疑惑，他们要么复制可以在人体中自动移动的未来派机器人的设计，要么用新的抗生素药物针对细菌进行有针对性的攻击。虽然大多数鞭毛已使用电子显微镜成像，但用现有方法很难捕获易碎的钩状部分，该部分是形成超螺旋形管状结构的短螺旋状组件。

现在，大阪大学的研究人员已使用改进的电子低温显微镜（cryoEM）技术对鞭毛的超螺旋部分进行精确成像，该部分被认为极难分析，分辨率达到3.6Å，可以建立原子模型。CryoEM是2017年诺贝尔化学奖的主题，它使快速冷冻的生物样品仍处于自然形态时可以成像。即使这样，新的分析仍需要进行粒子级计算才能从数据中重建最可能的结构。第一作者高藤隆之（Takayuki Kato）说：“人们认为不可能在功能状态下对钩的结构进行如此详细的研究，但是我们成功地使用了cryoEM单颗粒分析。”

这项工作对于抵抗感染可能具有非常重要的意义，因为细菌的蠕动行为会极大地影响其产生毒性的机会。资深作者Keiichi Namba解释说：“细菌运动与致病性密切相关，其揭示的结构可直接导致新抗生素的开发。”

参考：加藤隆行，Fumiaki Makino，宫田智子，PéterHorváth和Keiichi Namba撰写的“原生超螺旋鞭毛钩的通用接头结构”，Nature Communications.DOI：2019年11月22日，DOI：
10.1038 / s41467-019-13252-9