中國科大物理系袁軍華、張榕京課題組發展流場單分子施力技術，用于精確測量活細菌鞭毛鉤的抗彎剛度，發現細菌鞭毛鉤在逆時針和順時針旋轉下的不同彎曲剛度，這種不對稱性使得多鞭毛細菌的游動具有魯棒性。該研究結果于3月30日發表在《物理評論快報》上[Phys. Rev. Lett. 130, 138401 (2023)]。

細菌的運動對于它們的生存和感染宿主至關重要。細菌鞭毛旋轉驅動的游動是細菌最為典型的運動機制。大腸桿菌通過調節其鞭毛馬達的轉向（順時針或逆時針）、以交替“直線游動?原地翻滾”的方式進行隨機行走來探索環境。鞭毛鉤是一段長55納米、直徑15納米的柔性桿，是將鞭毛馬達的旋轉傳遞到鞭毛絲的萬向接頭，是推動細菌游動的鞭毛的重要組成部分。鞭毛鉤的力學性質對鞭毛實現正常功能至關重要。在大腸桿菌等周身多鞭毛細菌中，鞭毛鉤必須足夠柔軟，這樣當鞭毛馬達逆時針轉動時，鞭毛鉤可以彎曲，使得多根鞭毛絲在細菌胞體的一端形成連貫旋轉的鞭毛束；另一方面，鞭毛鉤也必須足夠剛性，這樣當馬達順時針轉動時，鞭毛束可以散開，使得細菌原地翻滾以改變游動方向。在本研究中，課題組發展了流場單分子施力技術（圖1），結合彈性桿力學模型，精確測量了活細菌鞭毛鉤在順時針和逆時針轉向下的抗彎剛度，闡明了鞭毛鉤如何實現這一雙重功能：鞭毛鉤在順時針轉向下變硬，順時針轉向下彎曲剛度是逆時針下的兩倍。這使得多鞭毛細菌實現了魯棒的“直線游動?原地翻滾”運動能力。

圖1.（a）流場單分子施力示意圖。細菌粘在玻璃片上，紅色代表鞭毛鉤，黃色代表切短的鞭毛絲，白球代表0.5微米直徑的微珠，標記于鞭毛絲以觀測鞭毛馬達轉動。（b）微珠在三維空間的圓形旋轉軌跡（紫色）投影到二維觀測平面時為橢圓（黃色）。（c-g）通過橢圓的偏心率可以測量不同流場力下鞭毛鉤的彎曲角。

在自然界中存在種類豐富的鞭毛細菌，鞭毛鉤的力學性質在各種鞭毛細菌的不同運動模式中起著關鍵作用，比如課題組之前在極性單鞭毛細菌-銅綠假單胞菌中發現的wrap游動新模式[PNAS 119,e2120508119 (2022)]，就是由其鞭毛鉤足夠柔性的抗彎剛度實現的。課題組發展的精確測量鞭毛鉤力學性質的方法，可以方便地用于其他種類細菌的測量中。本研究結果對于理解細菌運動機制和設計新型微納機器人具有重要意義。

課題組研究生張馨文、副研究員張馳是本文共同第一作者。上述研究得到了國家自然科學基金委及科技部基金的支持。

論文鏈接：

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.130.138401

（物理系、科研部）