中国科大发现细菌鞭毛钩抗弯刚度的不对称性

中国科大物理系袁军华、张榕京课题组发展流场单分子施力技术，用于精确测量活细菌鞭毛钩的抗弯刚度，发现细菌鞭毛钩在逆时针和顺时针旋转下的不同弯曲刚度，这种不对称性使得多鞭毛细菌的游动具有鲁棒性。该研究结果于3月30日发表在《物理评论快报》上[Phys. Rev. Lett. 130, 138401 (2023)]。

细菌的运动对于它们的生存和感染宿主至关重要。细菌鞭毛旋转驱动的游动是细菌最为典型的运动机制。大肠杆菌通过调节其鞭毛马达的转向（顺时针或逆时针）、以交替“直线游动«原地翻滚”的方式进行随机行走来探索环境。鞭毛钩是一段长55纳米、直径15纳米的柔性杆，是将鞭毛马达的旋转传递到鞭毛丝的万向接头，是推动细菌游动的鞭毛的重要组成部分。鞭毛钩的力学性质对鞭毛实现正常功能至关重要。在大肠杆菌等周身多鞭毛细菌中，鞭毛钩必须足够柔软，这样当鞭毛马达逆时针转动时，鞭毛钩可以弯曲，使得多根鞭毛丝在细菌胞体的一端形成连贯旋转的鞭毛束；另一方面，鞭毛钩也必须足够刚性，这样当马达顺时针转动时，鞭毛束可以散开，使得细菌原地翻滚以改变游动方向。在本研究中，课题组发展了流场单分子施力技术（图1），结合弹性杆力学模型，精确测量了活细菌鞭毛钩在顺时针和逆时针转向下的抗弯刚度，阐明了鞭毛钩如何实现这一双重功能：鞭毛钩在顺时针转向下变硬，顺时针转向下弯曲刚度是逆时针下的两倍。这使得多鞭毛细菌实现了鲁棒的“直线游动«原地翻滚”运动能力。


图1.（a）流场单分子施力示意图。细菌粘在玻璃片上，红色代表鞭毛钩，黄色代表切短的鞭毛丝，白球代表0.5微米直径的微珠，标记于鞭毛丝以观测鞭毛马达转动。（b）微珠在三维空间的圆形旋转轨迹（紫色）投影到二维观测平面时为椭圆（黄色）。（c-g）通过椭圆的偏心率可以测量不同流场力下鞭毛钩的弯曲角。

在自然界中存在种类丰富的鞭毛细菌，鞭毛钩的力学性质在各种鞭毛细菌的不同运动模式中起着关键作用，比如课题组之前在极性单鞭毛细菌-铜绿假单胞菌中发现的wrap游动新模式[PNAS 119,e2120508119 (2022)]，就是由其鞭毛钩足够柔性的抗弯刚度实现的。课题组发展的精确测量鞭毛钩力学性质的方法，可以方便地用于其他种类细菌的测量中。本研究结果对于理解细菌运动机制和设计新型微纳机器人具有重要意义。

课题组研究生张馨文、副研究员张驰是本文共同第一作者。上述研究得到了国家自然科学基金委及科技部基金的支持。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.130.138401