Only Perception: 微小「離合器」讓鞭毛處於「空檔」

2008-07-20

微小「離合器」讓鞭毛處於「空檔」

Microscopic 'clutch' puts flagellum in neutral
http://www.physorg.com/news133108054.html

June 19, 2008

Indiana 大學 Bloomington 分校以及哈佛大學的科學家學到，一具微小但強大的引擎，那推進枯草桿菌（Bacillus subtilis）通過液體，會透過某種蛋白質離合器（clutch）鬆開（disengaged）如同軟木塞開瓶器（corkscrew）一般的鞭毛。他們的報告出現在本週的 Science 上。

科學家老早就知道什麼東西驅使鞭毛旋轉，但什麼導致鞭毛停止旋轉 -- 暫時或永久地 -- 仍然未知。

"演化中的細菌與人類引擎對於同樣問題產生相似的解決辦法，我們認為那相當酷，" IU Bloomington 生物學家 Daniel Kearns 說，他領導此計畫。"當一具馬達在運轉時你要如何暫時停止它？"

他們所發現的蛋白質，EpsE，其功能非常類似汽車的離合器。在車上，離合器控制一輛車的引擎是否連結到使其車輪旋轉的部件上。當引擎與傳動齒輪彼此鬆脫時，車輛也許能繼續移動，但這是因為它先前的動量；車輪不再獲得動力。

如同 Kearns 所描述，EpsE 被認為會「坐（sit down）」在鞭毛的轉子上，在鞭毛基部一種甜甜圈形的結構。EpsE 與一種稱為 FliG 轉子蛋白的交互作用，導致轉子的形狀發生改變，那使得它從鞭毛以質子為動力的引擎（proton-powered engine）鬆脫。

EpsE 與其功能的發現是個意外。Kearns 等人實際上比較有興趣了解某些基因，這些基因導致個別枯草桿菌終止孤獨地流浪，並開始在一大量共有的（communal）、不動的集合，稱為生物膜（biofilm），中居住。生物膜的穩定性會因為這些細菌的鞭毛繼續旋轉而受到危害。

"我們正試著了解細菌的移動能力與生物膜的形成如何獲得平衡，" Kearns 說。"我們尋找那些影響細胞是否能移動或靜止的基因。雖然枯草桿菌無害，但生物膜通常與致病性細菌的傳染產生關。了解生物膜的形成，也許最終能證明對於對抗細菌傳染有用。

一旦科學家們了解 EpsE 涉及抑制鞭毛運動，他們想出二種可能解釋 EpsE 如何作用。其一，EpsE 將一個不可動部件推向一個可動部件，並鎖定這些運動，其作用如同煞車。他們想像，另一種可能性是，EpsE 作用如同一個離合器，使一個可動部件自另一個鬆開。在後面這一個版本中，引擎能不再驅動鞭毛轉動，因為關鍵的可動部件不再接觸。在此例中，鞭毛仍將有運動的自由，如同它那樣無精打采。

為了測定哪一個假說正確，科學家決定最好讓尾巴來搖狗（tail wag the dog）。他們將鞭毛末端貼在載玻片上，並觀察 EpsE 有無存在時整個細胞的運動。當缺乏 EpsE 時，整個細胞每 5 秒鐘旋轉一次。當 EpsE 存在時，細胞停止，但能被動地旋轉，被環境中的擾動（布朗運動）推動。如果 EpsE 作用如同煞車，細胞將不會有任何旋轉。研究者亦學到，當細胞開始產生 EpsE 時，要花上 15 分鐘這部鞭毛機器才會失效。

"當細胞被考慮時，這代表很多意義，" Kearns 說。"鞭毛是一個巨大、非常昂貴的結構。當一個細胞不再需要某東西時，它會摧毀它，並將部件回收。但這裡，因為鞭毛如此龐大與複雜，這樣做不太有成本效益。當被生物膜的黏性基質束縛時，我們認為這個離合器避免鞭毛旋轉。"

這項發現，也許能提供點子給奈米科技學家，使他們知道該如何控制自己創造的微小引擎。這種鞭毛是自然界中最小且最強大的馬達 -- 像枯草桿菌所產生的那樣，每秒鐘可旋轉超過 200 次，由 1,400 piconewton- nanometers 的力矩所驅動。這相當於一部一馬力的機器，被縮小到幾十奈米寬。

※ 相關報導：

＊ A Molecular Clutch Disables Flagella in the Bacillus subtilis Biofilm
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/sci;320/5883/1636

Kris M. Blair, Linda Turner, Jared T. Winkelman,
Howard C. Berg, Daniel B. Kearns
Science 20 June 2008: Vol. 320. no. 5883, pp. 1636 - 1638
DOI: 10.1126/science.1157877