摘要
运动性对于细菌的生存和致病至关重要。鞭毛马达能以每秒300-2400转的速度带动鞭毛丝旋转进而推动细菌前进。鞭毛马达结构复杂，组成蛋白超过25种，能量转化效率接近100%，被誉为是自然界最高效、最精密的分子引擎之一。几十年来，鞭毛马达一直是微生物学、生物物理学和结构生物学研究的热点和难点，然而鞭毛马达的组成成分，结构组装和扭矩传输机制仍不清楚。 本文中，首先对鼠伤寒沙门氏菌的鞭毛丝基因fliC和帽子蛋白基因fliD进行了共敲除，fliCD缺失的沙门氏菌可以组装鞭毛马达而不组装鞭毛丝，进而排除了鞭毛丝对鞭毛马达纯化的影响。通过优化体外纯化体系，成功提纯了内源性鞭毛马达复合物，并利用冷冻电镜解析了天然状态下鞭毛马达-接头装置复合物的高分辨率结构，所解析的外膜-肽聚糖层环（LPring）、联动杆（Rod）、内膜环（MSring）、分泌装置（Exportapparatus）和接头装置（Hook）的局部电子密度分辨率分别为2.8?、3.2?、3.6?、3.6?和3.4?，该复合物由12种鞭毛蛋白组成，共计175个亚基，总分子量约为6.3MDa。 结构分析发现，5个FliP，4个FliQ和1个FliR螺旋堆叠形成分泌装置复合物。6个FliE和5个FlgB插入分泌装置形成联动杆组装底座，与6个FlgC，5个FlgF和24个FlgG形成刚性联动杆。内膜环由34个FliF形成，在顶端伸出10个短肽嵌入联动杆表面槽沟中，与FliE和FlgB一同实现内膜环与联动杆之间“环-螺旋”的对称转化和扭矩传输。FlgH和FlgI通过“1对4”的互作模式形成外膜-肽聚糖层环，并通过静电和氢键互作发挥其润滑功能。Rod则通过紧密管状结构与Hook相连，保证扭矩高效传输至接头装置和远端鞭毛丝。 总之，通过解析细菌鞭毛马达的高分辨率结构，详细揭示了天然状态下鞭毛马达的结构组装和扭矩传输机制。这项研究为抗生素设计、合成生物学和人工纳米机器研造提供了丰富的参考信息。
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