中國科學院南海海洋研究所（后簡稱“南海海洋所”）熱帶海洋環境與島礁生態全國重點實驗室、熱帶海洋生物資源與生態實驗室研究團隊，圍繞細菌復雜鞭毛馬達的精細結構、組裝時序與演化路徑開展系統研究。相關成果以“Structural insights into the assembly and evolution of a complex bacterial flagellar motor”為題，于1月9日在線發表于微生物學領域權威期刊《自然·微生物》（Nature Microbiology）。南海海洋所博士生馮雪銀、耶魯大學醫學院博士后Shoichi Tachiyama、山東大學博士生何靜以及南海海洋所助理研究員朱思琦為論文共同第一作者；南海海洋所研究員高貝樂、耶魯大學教授劉駿和山東大學教授高翔為論文共同通訊作者。該研究整體科學構想與研究設計由研究員高貝樂與教授劉駿共同提出并主導完成。

鞭毛是驅動細菌細胞運動的重要納米機器，在海洋等多種環境中協助細菌實現空間遷移與環境響應。不同細菌的鞭毛結構差異顯著，以往研究主要集中于結構簡單的模式菌株大腸桿菌和沙門氏菌的馬達；然而，自然界中的大多數細菌存在更為復雜的鞭毛馬達，其額外結構的組成、組裝時序以及進化路徑缺乏系統研究，限制了我們對細菌馬達的多樣性和運動機制的全面理解。空腸彎曲菌具有高度復雜的鞭毛馬達結構，為研究該問題提供了理想模型。本團隊前期研究（Chen et. al, PNAS, 2025 Jan 7;122(1):e2412594121.）揭示了空腸彎曲菌馬達的胞質部分存在一個四聚體PilZ家族蛋白FlgX，并且該蛋白復合體處于經典模型中的定子與轉子結合界面，因此阻礙了定子與轉子的結合，說明該復雜馬達的旋轉機制區別于經典模型。

最近，研究團隊進一步構建了空腸彎曲菌復雜鞭毛馬達近乎完整的結構模型，解析了自1979年發現以來成分一直未知的周質E環、由FcpMNO和PflD組成的外周籠、以及PflA輻條-PflB輪圈復合體的精細結構及其互作細節。這些復雜支架結構通過精密的互作網絡，穩定了多達17個定子單元，從而產生超高轉矩，為鞭毛提供了強大的動力以適應復雜環境。

圖1 空腸彎曲菌復雜鞭毛馬達的完整模型

該研究還首次報道了復雜支架蛋白的表達調控機制及其組裝次序，發現內膜錨定支架與定子復合體的組裝早于鞭毛桿形成，表明鞭毛基因的表達受到嚴格的時空順序調控，遵循由內而外的層級化組裝邏輯。此外，該體系中的組裝順序明顯區別于經典模型中定子在鞭毛桿和鞭毛鉤之后組裝的模式；同時，復雜馬達中的定子數目保持恒定，也不同于經典模型中定子的動態交換的機制。

進化分析顯示，籠狀結構是彎曲菌門的特有結構，而E環和輻條結構廣泛存在于多種具有鞭毛的物種中，暗示其可能起源于細菌共同祖先，演化歷史久遠。研究進一步揭示，彎曲菌門自深海熱液口祖先開始，其鞭毛馬達“借用”了IV型菌毛系統的部分結構單元，形成了包裹定子復合體的輻條與籠狀結構，是細菌大分子機器演化過程中一次典型的“拓展適應（exaptation）”事件。

圖2 復雜支架蛋白的進化分析

該研究響應了“向極微觀深入”的科學研究前沿趨勢，在結構和進化層面深化了對細菌納米馬達的認知，揭示了一系列不同于經典模型的新組分和新機制。相關成果為理解復雜分子機器的結構創新、功能適應及其在不同生態環境中的演化路徑提供了重要理論依據，同時也有助于進一步闡釋納米機器的起源與進化，并為基于合成生物學手段對其進行改造與利用奠定基礎。

本研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃以及廣東省科技計劃等項目的資助。

相關論文信息：Xueyin Feng, Shoichi Tachiyama, Jing He, Siqi Zhu, Hang Zhao, Jack M. Botting, Yanran Liu, Yuanyuan Chen, Canfeng Hua, María Lara-Tejero, Matthew A. B. Baker, Xiang Gao*, Jun Liu*, Beile Gao*. Structural insights into the assembly and evolution of a complex bacterial flagellar motor. Nature Microbiology, 2026.

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41564-025-02248-5