细菌马达的新发现

　　名古屋大学的一个研究小组发现，溶藻弧菌鞭毛马达的旋转方向是由FliG的结构变化决定的，FliG是一种蛋白质，其作用类似于汽车上的离合器。这些发现为制造完全控制其运动的纳米机器提供了方法。

　　

由名古屋大学科学研究生院名誉教授Emeritus Michio Homma和Seiji Kojima领导的一个研究小组，与大阪大学和长滨生物科学与技术研究所合作，对细菌的运动方式产生了新的见解。研究小组在鞭毛层(细菌的“马达”)中发现了FliG分子，并揭示了它在生物体中的作用。这些发现表明，未来的工程师可以制造出完全控制其运动的纳米机器。他们在《iScience》杂志上发表了这项研究。

随着纳米机器变得越来越小，研究人员正在从微生物中获得灵感，想办法让它们移动和运行。特别是鞭毛电机可以顺时针和逆时针旋转，速度为20000转/分。如果按比例放大，它的能量转换效率几乎达到100%，并且能够在高速行驶时瞬间改变旋转方向，堪比一级方程式赛车的引擎。如果工程师们能够开发出类似于鞭毛马达的装置，它将从根本上提高纳米机器的可操作性和效率。

细菌中的鞭毛马达有一个转子，周围有一个固定的部件，称为定子。如果鞭毛是汽车的一部分，那么定子就是发动机。定子的转动像齿轮一样传递给转子，使转子转动。根据旋转，细菌向前或向后移动，就像一辆有倒车和驱动设置的自动汽车。一种叫做C环的蛋白质复合物控制着这种运动。

在C环内，FliG分子就像离合器一样，从向前运动切换到向后运动。就像汽车一样，各个部件必须协同工作。最微小的变化都会影响到马达。在鞭毛马达中，这些微小的变化就是突变。Homma的研究小组研究了FliG中的G215A突变体，该突变体导致电机永久顺时针旋转，并将其与可以向前和向后移动的非突变形式进行了比较。

当他们测试海洋生物溶藻弧菌的G215A突变体时，他们发现这种顺时针运动是由于FliG的变化和蛋白质周围水分子的相互作用。当它顺时针旋转时，他们也看到了正常形式的这些变化。然而，这些与它逆时针旋转时所看到的不同。

“鞭毛马达在两个方向上旋转：顺时针方向向后移动，逆时针方向向前移动，”Homma说。“在这项研究中，我们发现当马达顺时针和逆时针运动时，FliG的结构和周围水分子的相互作用是不同的。这种差异使细菌能够根据环境变化在前进和后退之间迅速切换。”

Homma说：“阐明发动机中FliG蛋白的物理性质是我们对改变发动机旋转方向的分子机制的理解的一个重大突破，为创造具有更高能量转换效率的紧凑型发动机提供了方法。利用这些发现，将有可能设计出可以自由控制其旋转的人造纳米机器，预计将应用于医学和人工生命设计等未来的各个领域。”