中國科大科學家發現銅綠假單胞菌游動新模式

中國科學技術大學教授袁軍華、張榕京課題組聯合使用細菌三維追蹤技術與鞭毛絲動態熒光觀察技術，發現了銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)的新游動模式——wrap模式。研究結果3月29日發表于美國《國家科學院院刊》。

細菌運動是其生存和感染宿主的關鍵。細菌通過游動模式之間的交替轉換來探索環境。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菌，其單根鞭毛位于桿狀胞體一端。

在可旋轉鞭毛馬達的驅動下，銅綠假單胞菌在液體中實現游動模式“切換”：鞭毛逆時針旋轉時推動胞體前進，鞭毛順時針旋轉時拖曳胞體后退。

傳統觀點認為銅綠假單胞菌正是通過交替“前進-后退”的方式實現環境探索，中間或許間隔著短暫的停頓。然而，在此方式中細菌對環境探索的效率不高。

細菌經過億萬年的進化，會不會有更高效的方式來探索環境?

課題組借助基因編輯手段改進了銅綠假單胞菌的鞭毛絲熒光標記效率，在該細菌中實現了游動三維追蹤及鞭毛絲動態行為的同步觀測，從而發現了一種全新游動模式——wrap模式，并且進一步揭示了模式發生的物理機制。

研究人員發現，在鞭毛由順時針旋轉變成逆時針旋轉的過程中，由于鉤形鞘(連接鞭毛馬達和鞭毛絲)在兩端壓力作用下發生力學屈曲失穩，使得鞭毛絲纏繞在胞體上，形成wrap態。在這種狀態下，胞體取向不穩定從而容易發生轉向。而此時鉤形鞘兩端又受到拉力作用，經過短暫間隙后(平均1秒)鞭毛絲從胞體解離，恢復成前進態。因此，wrap態發生在由后退態“切換”到前進態的過程中，經統計其發生概率約40%。

通過比較“后退-前進”及“后退-wrap-前進”這兩種切換方式下游動方向改變的統計分布，課題組發現wrap態使得細菌游動方向的改變隨機均勻地分布在4pi立體空間，從而極大地提高了細菌探索環境的效率。另外通過對細菌趨化游動的隨機動力學模擬亦確證了wrap態在提升細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菌，課題組發現的游動新模式可能在極性鞭毛細菌中廣泛存在。研究發現的由鉤形鞘力學屈曲失穩來實現游動方向改變的物理機制，對設計人工微納機器也具有啟發意義。

審稿人認為，“文章用高質量的熒光照片和視頻，結合透徹的力學分析，清晰地展示了作者們發現的新游動模式的物理圖像。”(作者：桂運安 王敏 )

標簽： 中國科大 銅綠假單胞菌 游動新模式 極性單鞭毛細菌