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由弗吉尼亞大學(xué)的Edward H. Egelman博士領(lǐng)導(dǎo)的一個國際小組已經(jīng)解決了這個問題，他是冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）這一高科技領(lǐng)域的先驅(qū)。研究人員利用低溫電子顯微鏡和強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)建模，揭示了傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡無法看到的東西：這些“螺旋槳”在單個原子層面的不尋常結(jié)構(gòu)。

弗吉尼亞大學(xué)生物化學(xué)和分子遺傳學(xué)系的Egelman說：“雖然50年來一直存在著這些細(xì)絲如何形成如此規(guī)則的盤繞形狀的模型，但我們現(xiàn)在已經(jīng)以原子細(xì)節(jié)確定了這些細(xì)絲的結(jié)構(gòu)。我們可以證明這些模型是錯誤的，我們的新認(rèn)識將有助于為可能基于這種微型推進(jìn)器的技術(shù)鋪平道路。”

不同的細(xì)菌都有一個或多個被稱為鞭毛的附屬物。一個鞭毛是由成千上萬的亞單位組成的，所有這些亞單位都是相同的。你會想象這樣的尾巴會是直的，或者至少有些靈活，但它會阻止細(xì)菌移動。這是由于這樣的形狀不能產(chǎn)生推力。需要一個旋轉(zhuǎn)的、類似開瓶器的“螺旋槳”來推動細(xì)菌前進(jìn)。科學(xué)家們把這種形狀的發(fā)展稱為 “超級卷曲”，經(jīng)過50多年的研究，他們現(xiàn)在知道了細(xì)菌是如何做到這一點(diǎn)的。

Egelman和他的同事利用低溫電鏡發(fā)現(xiàn)，構(gòu)成鞭毛的蛋白質(zhì)可能以11種不同的狀態(tài)存在。開瓶器的形狀是由這些狀態(tài)的精確組合形成的。

人們已經(jīng)知道，細(xì)菌中的螺旋槳與被稱為古細(xì)菌的酣暢淋漓的單細(xì)胞生物所使用的類似螺旋槳有很大不同。在地球上一些最極端的環(huán)境中發(fā)現(xiàn)了古細(xì)菌，例如在幾乎沸騰的酸池、海洋的最底層和地下深處的石油礦藏中。

Egelman及其同事使用冷凍電子顯微鏡檢查了一種古細(xì)菌Saccharolobus islandicus的鞭毛，并發(fā)現(xiàn)形成其鞭毛的蛋白質(zhì)以10種不同的狀態(tài)存在。雖然細(xì)節(jié)與研究人員在細(xì)菌中看到的有很大不同，但結(jié)果是一樣的，絲狀物形成了規(guī)則的“開瓶器”。他們得出結(jié)論，這是一個“趨同進(jìn)化”的例子--當(dāng)自然界通過非常不同的手段得出類似的解決方案。這表明，即使細(xì)菌和古細(xì)菌的“螺旋槳”在形式和功能上很相似，但這些生物是獨(dú)立進(jìn)化出這些特征的。

“就像鳥類、蝙蝠和蜜蜂一樣，它們都獨(dú)立地進(jìn)化出了用于飛行的翅膀，細(xì)菌和古細(xì)菌的進(jìn)化在兩者中都匯聚到了類似的游泳解決方案上。”Egelman說，他之前的成像工作使他入選了美國國家科學(xué)院，這是一個科學(xué)家可以獲得的最高榮譽(yù)之一。“由于這些生物結(jié)構(gòu)是在數(shù)十億年前出現(xiàn)在地球上的，所以了解它們所花的50年時間可能看起來并不長。”