了解细菌马达可能会带来更高效的纳米机器

由名古屋大学研究生院名誉教授MichioHomma(他)和SeijiKojima(他)领导的研究小组与大阪大学和长滨生物科学技术研究所合作，取得了关于细菌运动如何发生的新见解。

研究小组鉴定了鞭毛层(细菌的“发动机”)中的FliG分子，并揭示了其在生物体中的作用。这些发现提出了未来工程师构建完全控制其运动的纳米机器的方法。他们在《iScience》上发表了这项研究。

随着纳米机器变得越来越小，研究人员正在从微生物中汲取灵感，寻找让它们移动和操作的方法。特别是，鞭毛电机可以以20,000rpm的速度顺时针和逆时针旋转。如果放大的话，它可以与一级方程式发动机相媲美，能量转换效率几乎100%，并且能够在高速行驶时立即改变旋转方向。如果工程师能够开发出像鞭毛电机这样的设备，它将从根本上提高纳米机器的可操作性和效率。

细菌中的鞭毛马达有一个转子和一个围绕它的固定部件，称为定子。如果鞭毛是汽车的一部分，那么定子就是发动机。定子的旋转像齿轮一样传递到转子，使转子旋转。根据旋转，细菌向前或向后移动，就像具有倒车和行驶设置的自动汽车一样。一种称为C环的蛋白质复合物控制着这种运动。

在C环内部，FliG分子的作用就像离合器，从向前运动切换到向后运动。就像汽车一样，各个部件必须协同工作。最轻微的变化都会影响电机。在鞭毛运动中，这些微小的变化就是突变。Homma的研究小组研究了FliG中的G215A突变体，它会导致电机顺时针永久旋转，并将其与可以向前和向后方向移动的非突变形式进行比较。

当他们测试海洋生物溶藻弧菌的G215A突变体时，他们发现这种顺时针运动是因为FliG的变化以及蛋白质周围水分子的相互作用。当它顺时针旋转时，他们还看到了正常形式的这些变化。然而，这些与逆时针旋转时看到的不同。

“鞭毛马达朝两个方向旋转：顺时针向后移动，逆时针向前移动，”本间说。“在这项研究中，我们发现当电机顺时针和逆时针移动时，FliG的结构及其周围水分子的相互作用是不同的。这种差异使得细菌能够根据环境变化立即在向前和向后运动之间切换。”

Homma表示：“阐明电机中FliG蛋白的物理特性是我们理解改变电机旋转方向的分子机制的重大突破，为制造具有更高能量转换效率的紧凑型电机提供了建议。”“利用这些发现，将有可能设计出能够自由控制其旋转的人造纳米机器，有望应用于医学和人工生命设计等未来的各个领域。”

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