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中國科大物理系袁軍華、張榕京課題組通過對(duì)細(xì)菌鞭毛馬達(dá)在阻停時(shí)的轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)的精確測(cè)量，提出了馬達(dá)轉(zhuǎn)向別構(gòu)調(diào)控的非平衡熱力學(xué)新機(jī)制，該機(jī)制對(duì)其它分子馬達(dá)調(diào)控的非平衡機(jī)制也有啟發(fā)。該研究結(jié)果于2021年12月21日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上[Phys. Rev. Lett. 127, 268101 (2021)]。

細(xì)菌運(yùn)動(dòng)是其生存和感染宿主的關(guān)鍵。鞭毛驅(qū)動(dòng)的細(xì)菌游動(dòng)是細(xì)菌的典型運(yùn)動(dòng)機(jī)制。鞭毛馬達(dá)有兩大功能：產(chǎn)生力矩驅(qū)動(dòng)鞭毛絲的轉(zhuǎn)動(dòng)而使細(xì)菌游動(dòng)；根據(jù)環(huán)境調(diào)節(jié)其順時(shí)針和逆時(shí)針轉(zhuǎn)向的概率而調(diào)節(jié)細(xì)菌游動(dòng)模式，從而使細(xì)菌游向有利生存環(huán)境、躲避有害環(huán)境。馬達(dá)轉(zhuǎn)向調(diào)控是一個(gè)典型的別構(gòu)調(diào)控過程。別構(gòu)調(diào)控是指蛋白質(zhì)復(fù)合體(protein complex)的一個(gè)位點(diǎn)結(jié)合效應(yīng)因子(effector)后，通過長程構(gòu)象變化來影響其它位點(diǎn)功能的現(xiàn)象。這是在生命現(xiàn)象中廣泛存在的一個(gè)重要調(diào)控機(jī)制，普遍存在于酶的活性調(diào)節(jié)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的受體活性調(diào)節(jié)、離子通道調(diào)控、基因表達(dá)調(diào)控等重要生理過程中。鞭毛馬達(dá)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)受其負(fù)載影響很大，以往研究了其轉(zhuǎn)向調(diào)控從低到高負(fù)載下的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，但由于技術(shù)限制，對(duì)極高負(fù)載甚至是阻停下的轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)未有研究。該團(tuán)隊(duì)提出了使用光鑷阻停鞭毛馬達(dá)、并利用光鑷的高時(shí)空分辨來對(duì)馬達(dá)在阻停下的轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)進(jìn)行高分辨研究的方法，精確測(cè)量了馬達(dá)在阻停下的轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對(duì)比了其它負(fù)載下的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，提出了馬達(dá)順時(shí)針和逆時(shí)針轉(zhuǎn)向下力矩的不對(duì)稱提供馬達(dá)轉(zhuǎn)向調(diào)控非平衡能量輸入的新機(jī)制，一致地解釋了馬達(dá)在所有負(fù)載下轉(zhuǎn)向調(diào)控的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。這一發(fā)現(xiàn)可啟發(fā)研究其它別構(gòu)調(diào)控過程的可能非平衡熱力學(xué)機(jī)制，也解釋了馬達(dá)在兩個(gè)轉(zhuǎn)向下力矩不對(duì)稱性的重要生理意義。

圖1. 阻停下的馬達(dá)轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)。

（a）阻停下的細(xì)菌明場(chǎng)圖像?！皒”代表光鑷位置，“.”代表胞體通過鞭毛絲粘住玻璃片的位置。（b）實(shí)驗(yàn)概念圖。

（c）一個(gè)典型的馬達(dá)轉(zhuǎn)向改變信號(hào)?？v軸代表光鑷x信號(hào)輸出，右邊是對(duì)應(yīng)的信號(hào)統(tǒng)計(jì)圖。上述研究得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、合肥大科學(xué)中心協(xié)同創(chuàng)新培養(yǎng)基金、博士后創(chuàng)新人才計(jì)劃的支持。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.268101

（物理學(xué)院、科研部）