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(shí)針和順時(shí)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(dòng)具有魯棒性。該研究結(jié)果于3月30日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上[Phys. Rev. Lett. 130, 138401 (2023)]。
細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)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(dòng)的游動(dòng)是細(xì)菌最為典型的運(yùn)動(dòng)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(shí)針或逆時(shí)針）、以交替“直線游動(dòng)?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(dòng)細(xì)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(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(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鞭毛束可以散開，使得細(xì)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(shí)針和逆時(shí)針轉(zhuǎn)向下的抗彎剛度，闡明了鞭毛鉤如何實(shí)現(xiàn)這一雙重功能：鞭毛鉤在順時(shí)針轉(zhuǎn)向下變硬，順時(shí)針轉(zhuǎn)向下彎曲剛度是逆時(shí)針下的兩倍。這使得多鞭毛細(xì)菌實(shí)現(xiàn)了魯棒的“直線游動(dòng)?原地翻滾”運(yùn)動(dòng)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(dòng)。（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(shí)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(yùn)動(dòng)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(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(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(yùn)動(dòng)機(jī)制和設(shè)計(jì)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。
論文鏈接：
https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.130.138401
（物理系、科研部）
