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细菌如何涡轮增压他们的马达

2019-05-06 09:48:13 • 来源：

研究人员利用详细的三维图像，展示了细菌如何进化出不同功率的分子马达以优化游泳。这一发现由伦敦帝国理工学院的一个团队提供，可以分析分子规模的进化。

细菌如何涡轮增压他们的马达

细菌使用几十纳米宽的分子马达旋转尾巴(或“鞭毛”)，将它们推入栖息地。与人造马达一样，这些纳米级机器的结构决定了它们的动力和细菌的游泳能力。

此前，帝国帝国生命科学部的团队研究了这些电机，并发现了一个关键因素，决定了细菌的游动强度。与人造马达一样，细菌马达具有独特的“定子”和“转子”组件，它们相互旋转。

研究小组发现，细菌运动所具有的定子结构越多，其转动力越大，细菌游动的能力越强。尽管存在这些差异，DNA序列分析显示核心电机与祖先相关。这导致科学家质疑结构和游泳多样性是如何从相同的核心设计演变而来的。

现在，在今天发表在“科学报告”杂志上的新研究中，研究人员通过将三维成像与DNA分析相结合，能够建立细菌马达的“家谱”。这使他们能够了解祖先电机的外观，以及它们如何演变成今天所见的复杂电机。

该团队发现了原始和复杂细菌物种的发动机之间的明显差异。虽然许多原始物种有大约12个定子，但更复杂的物种有大约17个定子。这与DNA分析一起表明，古代汽车也可能只有12个定子。

研究人员表示，原始物种和复杂物种之间的这种明显分离代表了进化中的“巨大飞跃”。他们的研究表明，电机功率容量的增加可能是现有结构融合的结果。这形成了结构支架，以结合更多定子，这些定子结合起来以更高的力驱动旋转。

首席研究员Morgan Beeby博士说：“我们习惯于观察动物或植物规模的进化，例如长颈鹿的颈部随着时间的推移慢慢变长，以达到以前难以接近的食物。

“然而，在分子尺度上的演变更加激进。它就像一只长颈鹿，孩子的脖子突然长了一米。”

为了进行这项研究，该团队使用一种称为冷冻选择显微镜的方法，对来自不同种类细菌的多种电机进行了可视化，该方法的先驱者今年获得了诺贝尔化学奖。该方法涉及使活细胞内的马达快速冷冻。一旦冻结，就可以从各个角度对它们进行成像，以建立电池内部电机外观的三维图像。

然后，他们使用DNA序列分析建立了该物种的“家谱”，这与他们的游泳能力和运动特性有关。他们发现具有17个或更多定子的细菌及其亲属在其马达上附加了额外的结构。

研究人员认为，这些额外的结构融合在复杂的细菌中，以提供更大的支架，以支持更多的定子。

然而，他们也说这可能不是一次性事件。额外的结构似乎已经在不同种类的细菌中进化了许多次，使用不同的构建块但产生相同的功能。

在动物和植物王国中已经看到过在完全不同的生物体中独立发展的相同功能。例如，昆虫，蝙蝠和鸟类都有进化出的翅膀，它们在功能上相似，但起源完全不同，眼睛多次出现，并且有充分的证据表明神经系统也进化了好几次，有些生物拥有奇怪的系统，不像我们习惯的大脑和脊髓。

Beeby博士说：“细菌马达是复杂的机器，但通过这样的研究，我们可以看到它们是如何以不同的步骤进化的。此外，从12个定子到17个'飞跃'，虽然是一个伟大的创新，但却有一个方面'生物必然性与高等动物的翅膀，眼睛或神经系统一样：高扭矩的前体已经进化了多次，其中一组最终融合形成了我们在工作中描述的支架。“

他补充说：“进化是一个创造性的过程，经常利用主题的变化。它不断产生新的分子思想，其中许多失败，但不可避免地有些人多次实现。我们已经在动物身上看到了这一点，现在我们在纳米分子进化的世界中看到这个过程。“

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