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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授袁軍華、張榕京課題組聯(lián)合使用細(xì)菌三維追蹤技術(shù)與鞭毛絲動(dòng)態(tài)熒光觀察技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)的新游動(dòng)模式——wrap模式。研究結(jié)果3月29日發(fā)表于美國《國家科學(xué)院院刊》。

細(xì)菌運(yùn)動(dòng)是其生存和感染宿主的關(guān)鍵。細(xì)菌通過游動(dòng)模式之間的交替轉(zhuǎn)換來探索環(huán)境。不同于周身多鞭毛的大腸桿菌，銅綠假單胞菌是一種典型的極性單鞭毛細(xì)菌，其單根鞭毛位于桿狀胞體一端。

在可旋轉(zhuǎn)鞭毛馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下，銅綠假單胞菌在液體中實(shí)現(xiàn)游動(dòng)模式“切換”：鞭毛逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)推動(dòng)胞體前進(jìn)，鞭毛順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)拖曳胞體后退。

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為銅綠假單胞菌正是通過交替“前進(jìn)-后退”的方式實(shí)現(xiàn)環(huán)境探索，中間或許間隔著短暫的停頓。然而，在此方式中細(xì)菌對(duì)環(huán)境探索的效率不高。

細(xì)菌經(jīng)過億萬年的進(jìn)化，會(huì)不會(huì)有更高效的方式來探索環(huán)境?

課題組借助基因編輯手段改進(jìn)了銅綠假單胞菌的鞭毛絲熒光標(biāo)記效率，在該細(xì)菌中實(shí)現(xiàn)了游動(dòng)三維追蹤及鞭毛絲動(dòng)態(tài)行為的同步觀測(cè)，從而發(fā)現(xiàn)了一種全新游動(dòng)模式——wrap模式，并且進(jìn)一步揭示了模式發(fā)生的物理機(jī)制。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在鞭毛由順時(shí)針旋轉(zhuǎn)變成逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的過程中，由于鉤形鞘(連接鞭毛馬達(dá)和鞭毛絲)在兩端壓力作用下發(fā)生力學(xué)屈曲失穩(wěn)，使得鞭毛絲纏繞在胞體上，形成wrap態(tài)。在這種狀態(tài)下，胞體取向不穩(wěn)定從而容易發(fā)生轉(zhuǎn)向。而此時(shí)鉤形鞘兩端又受到拉力作用，經(jīng)過短暫間隙后(平均1秒)鞭毛絲從胞體解離，恢復(fù)成前進(jìn)態(tài)。因此，wrap態(tài)發(fā)生在由后退態(tài)“切換”到前進(jìn)態(tài)的過程中，經(jīng)統(tǒng)計(jì)其發(fā)生概率約40%。

通過比較“后退-前進(jìn)”及“后退-wrap-前進(jìn)”這兩種切換方式下游動(dòng)方向改變的統(tǒng)計(jì)分布，課題組發(fā)現(xiàn)wrap態(tài)使得細(xì)菌游動(dòng)方向的改變隨機(jī)均勻地分布在4pi立體空間，從而極大地提高了細(xì)菌探索環(huán)境的效率。另外通過對(duì)細(xì)菌趨化游動(dòng)的隨機(jī)動(dòng)力學(xué)模擬亦確證了wrap態(tài)在提升細(xì)菌趨化水平上的效力。

在自然界中存在種類豐富的極性鞭毛細(xì)菌，課題組發(fā)現(xiàn)的游動(dòng)新模式可能在極性鞭毛細(xì)菌中廣泛存在。研究發(fā)現(xiàn)的由鉤形鞘力學(xué)屈曲失穩(wěn)來實(shí)現(xiàn)游動(dòng)方向改變的物理機(jī)制，對(duì)設(shè)計(jì)人工微納機(jī)器也具有啟發(fā)意義。

審稿人認(rèn)為，“文章用高質(zhì)量的熒光照片和視頻，結(jié)合透徹的力學(xué)分析，清晰地展示了作者們發(fā)現(xiàn)的新游動(dòng)模式的物理圖像。”(作者：桂運(yùn)安 王敏 )