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中國科學技術(shù)大學教授袁軍華、張榕京課題組聯(lián)合使用細菌三維追蹤技術(shù)與鞭毛絲動態(tài)熒光觀察技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)的新游動模式——wrap模式。研究結(jié)果3月29日發(fā)表于美國《國家科學院院刊》。

細菌運動是其生存和感染宿主的關鍵。細菌通過游動模式之間的交替轉(zhuǎn)換來探索環(huán)境。不同于周身多鞭毛的大腸桿菌，銅綠假單胞菌是一種典型的極性單鞭毛細菌，其單根鞭毛位于桿狀胞體一端。

在可旋轉(zhuǎn)鞭毛馬達的驅(qū)動下，銅綠假單胞菌在液體中實現(xiàn)游動模式“切換”：鞭毛逆時針旋轉(zhuǎn)時推動胞體前進，鞭毛順時針旋轉(zhuǎn)時拖曳胞體后退。

傳統(tǒng)觀點認為銅綠假單胞菌正是通過交替“前進-后退”的方式實現(xiàn)環(huán)境探索，中間或許間隔著短暫的停頓。然而，在此方式中細菌對環(huán)境探索的效率不高。

細菌經(jīng)過億萬年的進化，會不會有更高效的方式來探索環(huán)境?

課題組借助基因編輯手段改進了銅綠假單胞菌的鞭毛絲熒光標記效率，在該細菌中實現(xiàn)了游動三維追蹤及鞭毛絲動態(tài)行為的同步觀測，從而發(fā)現(xiàn)了一種全新游動模式——wrap模式，并且進一步揭示了模式發(fā)生的物理機制。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在鞭毛由順時針旋轉(zhuǎn)變成逆時針旋轉(zhuǎn)的過程中，由于鉤形鞘(連接鞭毛馬達和鞭毛絲)在兩端壓力作用下發(fā)生力學屈曲失穩(wěn)，使得鞭毛絲纏繞在胞體上，形成wrap態(tài)。在這種狀態(tài)下，胞體取向不穩(wěn)定從而容易發(fā)生轉(zhuǎn)向。而此時鉤形鞘兩端又受到拉力作用，經(jīng)過短暫間隙后(平均1秒)鞭毛絲從胞體解離，恢復成前進態(tài)。因此，wrap態(tài)發(fā)生在由后退態(tài)“切換”到前進態(tài)的過程中，經(jīng)統(tǒng)計其發(fā)生概率約40%。

通過比較“后退-前進”及“后退-wrap-前進”這兩種切換方式下游動方向改變的統(tǒng)計分布，課題組發(fā)現(xiàn)wrap態(tài)使得細菌游動方向的改變隨機均勻地分布在4pi立體空間，從而極大地提高了細菌探索環(huán)境的效率。另外通過對細菌趨化游動的隨機動力學模擬亦確證了wrap態(tài)在提升細菌趨化水平上的效力。

在自然界中存在種類豐富的極性鞭毛細菌，課題組發(fā)現(xiàn)的游動新模式可能在極性鞭毛細菌中廣泛存在。研究發(fā)現(xiàn)的由鉤形鞘力學屈曲失穩(wěn)來實現(xiàn)游動方向改變的物理機制，對設計人工微納機器也具有啟發(fā)意義。

審稿人認為，“文章用高質(zhì)量的熒光照片和視頻，結(jié)合透徹的力學分析，清晰地展示了作者們發(fā)現(xiàn)的新游動模式的物理圖像。”(作者：桂運安 王敏 )