1秒鐘跑出自己身長60倍、甚至100倍的距離是很多細(xì)菌具有的運(yùn)動能力。細(xì)菌的運(yùn)動能力依賴于其特異的運(yùn)動器官—鞭毛。鞭毛是一個巨大的納米機(jī)器，由細(xì)胞膜上的馬達(dá)、胞外接頭裝置和鞭毛絲組成，是自然界中最高效、最精密的分子引擎，也是最復(fù)雜的蛋白質(zhì)機(jī)器之一，能夠每秒鐘旋轉(zhuǎn)300-2400圈。由于其高度復(fù)雜性，鞭毛馬達(dá)的工作原理尚未得到揭示。

    在國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“蛋白質(zhì)機(jī)器與生命過程調(diào)控”重點(diǎn)專項(xiàng)的支持下，浙江大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用冷凍電鏡技術(shù)解析了來源于病原菌沙門氏菌的天然狀態(tài)下的鞭毛馬達(dá)-接頭裝置復(fù)合物的原子分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，該復(fù)合物包含12種蛋白，共計175個亞基，總分子量超過6.3 MDa。該團(tuán)隊(duì)首先解析了整體鞭毛馬達(dá)-接頭復(fù)合物的3.9 Å結(jié)構(gòu)，之后進(jìn)行了局部細(xì)化解析，最終將聯(lián)動桿、外膜-周質(zhì)環(huán)、內(nèi)膜環(huán)、分泌裝置以及接頭裝置等鞭毛馬達(dá)不同部位的局部分辨率依次達(dá)到3.2 Å、2.8 Å、3.6 Å、3.2 Å和3.4 Å。研究團(tuán)隊(duì)還揭示了鞭毛馬達(dá)帶動鞭毛絲高速轉(zhuǎn)動的機(jī)制：內(nèi)膜環(huán)克服馬達(dá)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不對稱性向聯(lián)動桿傳輸扭矩；外膜-周質(zhì)環(huán)驅(qū)動聯(lián)動桿高速旋轉(zhuǎn)；聯(lián)動桿通過緊密的管狀結(jié)構(gòu)與接頭裝置相連，將扭矩傳遞至接頭裝置，進(jìn)而帶動鞭毛絲的轉(zhuǎn)動，像潛艇螺旋槳一樣驅(qū)動了細(xì)菌的運(yùn)動。該研究首次揭示了細(xì)菌鞭毛馬達(dá)獨(dú)特的高分辨率精細(xì)結(jié)構(gòu)及其組裝和扭矩傳輸機(jī)制，闡釋了鞭毛馬達(dá)的工作原理。

    該研究有利于更好地了解微觀世界的分子發(fā)動機(jī)，也為相關(guān)的合成生物學(xué)、生物物理學(xué)、納米機(jī)器人等研究奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)，研究成果近期發(fā)表在Cell雜志上。