鞭毛停擺賦予細菌駕駛能力

2020-08-27 實驗室設計與建設專家



當行駛方向發生錯誤的時候，某些種類的細菌可以通過讓它們的螺旋槳停擺來完成轉向。

有一種海洋細菌只有一根剛性的鞭毛，通過鞭毛旋轉推進菌體細胞向前運動。最新發現的轉向機制解釋了這種細菌怎樣控制運動方向。如果一根鋼管出現受力後變彎的情況，工程師會認為這是失敗的產品。但細菌完成一次成功的轉向正是依賴於鞭毛的這種機械特性——彈性材料在受到壓力時變彎。

像大腸桿菌這樣的多鞭毛細菌轉向的時候，會從一束旋轉的鞭毛中釋放一根，鞭毛展開使菌體翻轉朝向新的方向。但是90％可以自由移動的海洋細菌只有一根鞭毛。麻省理工學院的羅曼·斯託克（Roman Stocker）說，以前科學家以為這些只有一隻螺旋槳的微生物只能沿著一個方向遊動。2011年，匹茲堡大學的吳曉倫（音Xiao-Lun Wu）領導的課題組發現單鞭毛細菌溶藻弧菌（Vibrio alginolyticus）能夠實現急轉彎。為了改變航線，菌體先後退一點，然後把鞭毛擺向一側，就像船舵一樣。

但是吳的團隊並沒有揭示細菌怎樣控制鞭毛擺動。在2013年7月7日出版的《自然物理學》雜誌上，斯託克團隊通過高速攝像機對溶藻弧菌進行拍攝回答了這個問題。他的團隊發現擺動時機的一條重要線索：它總是發生在細菌再次向前運動的10毫秒以後。

他們猜測，向前運動壓縮了鞭毛與菌體連接部位一段很小的彈性區域——鞭毛「鉤」。在後退的時候，鞭毛拉動菌體，而當菌體再次向前運動時，鞭毛從拉動變為推動。他們發現，當速度超過一定閾值後鞭毛鉤變彎，從而導致鞭毛向一邊擺動。

但是科研人員也發現，細菌的正常遊動速度和引起鞭毛變化的速度一樣快。「它們可以隨時停擺，」斯託克說，「每當它想向前遊動的時候鞭毛就會變彎。」他們發現在穩定的向前遊動時鞭毛反而變得更牢固。斯託克認為鞭毛的轉動能使它變得更硬。

微生物這種超簡單的轉向方式可以用於微型機器人。蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）機器人學和智能系統研究所的布拉德利·尼爾森（Bradley Nelson）表示，「這確實給了我們靈感去考慮設計同樣可以彈性變彎的人造鞭毛。」

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