中國科大物理系袁軍華、張榕京課題組發(fā)展流場(chǎng)單分子施力技術(shù)，用于精確測量活細菌鞭毛鉤的抗彎剛度，發(fā)現細菌鞭毛鉤在逆時(shí)針和順時(shí)針旋轉下的不同彎曲剛度，這種不對稱(chēng)性使得多鞭毛細菌的游動(dòng)具有魯棒性。該研究結果于3月30日發(fā)表在《物理評論快報》上[Phys. Rev. Lett. 130, 138401 (2023)]。
細菌的運動(dòng)對于它們的生存和感染宿主至關(guān)重要。細菌鞭毛旋轉驅動(dòng)的游動(dòng)是細菌最為典型的運動(dòng)機制。大腸桿菌通過(guò)調節其鞭毛馬達的轉向（順時(shí)針或逆時(shí)針）、以交替“直線(xiàn)游動(dòng)?原地翻滾”的方式進(jìn)行隨機行走來(lái)探索環(huán)境。鞭毛鉤是一段長(cháng)55納米、直徑15納米的柔性桿，是將鞭毛馬達的旋轉傳遞到鞭毛絲的萬(wàn)向接頭，是推動(dòng)細菌游動(dòng)的鞭毛的重要組成部分。鞭毛鉤的力學(xué)性質(zhì)對鞭毛實(shí)現正常功能至關(guān)重要。在大腸桿菌等周身多鞭毛細菌中，鞭毛鉤必須足夠柔軟，這樣當鞭毛馬達逆時(shí)針轉動(dòng)時(shí)，鞭毛鉤可以彎曲，使得多根鞭毛絲在細菌胞體的一端形成連貫旋轉的鞭毛束；另一方面，鞭毛鉤也必須足夠剛性，這樣當馬達順時(shí)針轉動(dòng)時(shí)，鞭毛束可以散開(kāi)，使得細菌原地翻滾以改變游動(dòng)方向。在本研究中，課題組發(fā)展了流場(chǎng)單分子施力技術(shù)（圖1），結合彈性桿力學(xué)模型，精確測量了活細菌鞭毛鉤在順時(shí)針和逆時(shí)針轉向下的抗彎剛度，闡明了鞭毛鉤如何實(shí)現這一雙重功能：鞭毛鉤在順時(shí)針轉向下變硬，順時(shí)針轉向下彎曲剛度是逆時(shí)針下的兩倍。這使得多鞭毛細菌實(shí)現了魯棒的“直線(xiàn)游動(dòng)?原地翻滾”運動(dòng)能力。
圖1.（a）流場(chǎng)單分子施力示意圖。細菌粘在玻璃片上，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，標記于鞭毛絲以觀(guān)測鞭毛馬達轉動(dòng)。（b）微珠在三維空間的圓形旋轉軌跡（紫色）投影到二維觀(guān)測平面時(shí)為橢圓（黃色）。（c-g）通過(guò)橢圓的偏心率可以測量不同流場(chǎng)力下鞭毛鉤的彎曲角。
在自然界中存在種類(lèi)豐富的鞭毛細菌，鞭毛鉤的力學(xué)性質(zhì)在各種鞭毛細菌的不同運動(dòng)模式中起著(zhù)關(guān)鍵作用，比如課題組之前在極性單鞭毛細菌-銅綠假單胞菌中發(fā)現的wrap游動(dòng)新模式[PNAS 119,e2120508119 (2022)]，就是由其鞭毛鉤足夠柔性的抗彎剛度實(shí)現的。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(lèi)細菌的測量中。本研究結果對于理解細菌運動(dòng)機制和設計新型微納機器人具有重要意義。
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）
