【LorMe周刊】鞭毛马达——细菌运动的引擎：冲啊！旋风冲锋龙卷风！

作者：张耀予，南京农业大学硕士在读，主要研究青枯病菌的根际入侵过程。

周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍细菌鞭毛马达结构、组装与扭矩传输机制。原文于2021年发表在《Cell》上。

导读

四驱车驰骋赛道靠的是马达的轰鸣，细菌飞速运动迁移蔓延靠的又是什么呢？浙江大学张兴教授团队与朱永群教授团队共同为我们解答了这个问题，他们以病原沙门氏菌（Salmonella Typhimurium）为对象，利用原子分辨率冷冻电镜解析了鞭毛马达-接头装置复合体（Flagellar motor-hook complex）的结构，整个装置仅包含12种不同的蛋白、175个亚基，总分子量约6.3 MDa。作者发现尽管鞭毛马达如此简单，但其结构并不简单，包括联动杆、外膜环、周质环、内膜环、分泌装置以及接头装置，能量转化效率近乎100%。该研究首次系统地揭示了鞭毛马达的组装和扭矩传输机制，解开了鞭毛马达引擎驱动细菌高速运动的结构生物学奥秘。

图1 鞭毛马达结构与工作机制的示意图

主要结果

首次纯化了细菌鞭毛马达及接头装置复合体样品

为了排除鞭毛异质性以及传统酸碱处理法对鞭毛马达蛋白纯化的影响，作者采用同源重组敲除了沙门氏菌编码鞭毛丝蛋白的fliC和帽子蛋白的fliD基因，通过大量试验，他们设计出了相对温和的鞭毛马达纯化步骤，并获得了完整且稳定的鞭毛马达及接头装置复合体样品。

图2 鞭毛马达总体结构

研究首次证实了内膜环在天然状态下，其内部存在着高度对称错位。此外，作者还发现，内膜环底部RBM2区紧紧卡住分泌装置，β-collar和RBM3则包围着分泌装置、并联动着杆下端。其中，分泌装置由1个FliR亚基、4个FliQ亚基、和5个FliP亚基组成。作为联动杆的组装平台，分泌装置还决定着联动杆的组装方式。另外，分泌装置还会分泌各种鞭毛组装蛋白，并逐步形成联动杆，进而形成细菌胞外的鞭毛丝和接头装置。

图3 内膜环结构及与联动杆的相互作用

推翻关于鞭毛马达的错误推论

作者通过研究推翻了之前关于鞭毛马达的错误推论并首次破译其结构，联动杆结构呈现出十分紧密的螺旋杆状：它由46个亚基和5个蛋白组成，其中远端联动杆由5个FlgF和24个FlgG组成，近端联动杆则由5个FlgB、6个FlgC和6个FliE组成。虽然不同的联动杆蛋白，拥有相似的基础特征，但它们的结构特点完全不相同。

此外，各个亚基都能和周围的亚基彼此锁定，整个联动杆的高度刚性也可得到保证。其中，FlgG蛋白的GSS区，可形成类似于榫卯的结构，把其插入远端联动杆表面的空隙中，就可极大增强联动杆的刚性，从而保证联动杆的高效扭矩传输和高速旋转。这样的结构，不仅能保证细胞柔性，还可充当履带作用，进一步把扭矩从近端传输到远端。值得注意的是，外膜环和周质环的彼此紧扣，能形成一种桶状结构。而外膜环还具备双层β桶结构，顶端的α螺旋可通过水平排列、形成外膜结合区。

图4“外膜-周质环” 结构及与联动杆的相互作用

细菌鞭毛马达联动杆转速高、无摩擦、耗能量低

同时作者发现：在使用恒定氨基酸残基和静电斥力时，“外膜-周质环”会形成一种氢键环，这可确保联动杆在高速旋转时，不会产生摩擦以及能量损耗。由于其套在联动杆的远端，而外膜环的内表面全部带有负电，正好能和全带负电的联动杆远端产生静电互斥，从而大大减小联动杆和外膜环之间的阻力，联动杆的高速旋转也可得到保证。因此，联动杆在旋转时，周质环与联动杆远端之间的氢键可进行重建，且无需消耗任何能量。打个比方，氢键环就好比轴承中的钢珠球，不仅能保证联动杆位置固定，同时不会损失扭矩传输中的能量。

总结与展望

鞭毛马达通过各结构元件间的精妙配合，可将质子泵转化来的机械能，并可毫无损耗地传给鞭毛丝，此后便可促进鞭毛丝高速转动，从而让细菌进行快速运动。本文作者揭示出的细菌鞭毛马达结构与机制，是微生物领域重要突破。这可以帮助人们更好地认识微观世界的分子发动机，并可为合成生物学、纳米机器人等研究提供新的启发，也为阻断病原菌的迁移提供了新的思路。

论文信息

原名：Structural basis of assembly and torque transmission of the bacterial flagellar motor

译名：细菌鞭毛马达结构、组装与扭矩传输机制

期刊：Cell

发表时间：2021.04

通讯作者：朱永群/张兴

通讯作者单位：浙江大学