通过使用高科技显微镜观察速冻蛋白质，研究人员刚刚解开了 50 年来细菌及其宿敌古细菌实际上如何游泳的谜团。
我们很早就知道它们使用一种称为鞭毛的小卷曲“尾巴”，但直到现在，我们仍然无法理解它们的绳状附属物如何形成卷曲形状以推动它们前进的细节。
在动物细胞中，鞭毛的工作方式就像我们更熟悉的尾巴一样——来回跳动以推动身体前进。但是细胞属于细菌，生命的第三个领域，单细胞古细菌，具有螺旋形鞭毛，不能通过简单的左右运动产生推力。
相反，这些小线圈像扭曲的细长螺旋桨一样旋转。它的线圈似乎能够在一定程度上拉伸和收缩，类似于紧身衣，允许微生物通过电机驱动的旋转产生不同的波形。旋转也可以改变方向。
细菌和古细菌鞭毛都由相同的鞭毛蛋白重复亚基组成。然而，在古细菌尾部发现的鞭毛蛋白类型与在细菌中发现的另一种细胞突起中发现的鞭毛蛋白类型更相似。关闭
弗吉尼亚大学生物物理学家 Mark Kreutzberger 及其同事使用冷冻电子断层扫描在近原子水平上检查杆状细菌鞭毛丝的分子结构大肠杆菌和古细菌冰岛糖。
他们发现，在细菌中，蛋白丝可以以 11 种不同的状态存在，在古细菌中也可以以 10 种不同的状态存在。尽管蛋白质结构存在差异，但这些状态的混合导致两种微生物的整体结构卷曲成卷曲形状。
由此产生的超螺旋结构非常稳定，可以承受扭转应力，在旋转时保持其卷曲形状，直到鞭毛改变旋转方向。
在大肠杆菌，直游涉及逆时针旋转。但是，当细菌改变尾巴的旋转方向时，施加在鞭毛上的力会改变其结构，将一根或多根细丝从紧密的捆绑中旋出，并将超螺旋松开成半卷曲或卷曲形状。
这将微生物的直线游泳模式改变为翻滚模式，尾巴现在顺时针旋转。
尽管通过添加盐或酸改变环境条件确实改变了古细菌的鞭毛结构，但在古细菌中没有看到这些方向引起的变化。
尽管它们在结构上存在差异并且它们独立进化，但大自然塑造了细菌和古细菌的鞭毛，使其基本上具有相同的形式和功能——一个很好的例子趋同进化。
“就像鸟类、蝙蝠和蜜蜂一样，它们都独立进化出了用于飞行的翅膀，细菌和古细菌的进化也趋向于类似的游泳解决方案，”解释弗吉尼亚大学生物化学家爱德华·埃格曼。
“我们的新理解将有助于为基于此类微型螺旋桨的技术铺平道路。”
这项研究发表于细胞。
