游動的細菌是如何改變方向的？在液體中，細菌會通過一種螺旋槳般的“尾巴”——鞭毛——來運動。鞭毛會在順時針與逆時針旋轉(zhuǎn)之間交替切換。從20世紀50年代起，人們就注意到了這種切換行為。

幾十年來，科學家一直將這種切換行為歸因于一種平衡態(tài)的“多米諾效應”模型：在這一模型中，排列在細菌尾部的蛋白質(zhì)，會對相鄰蛋白質(zhì)施加壓力，從而促使旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生改變。

現(xiàn)在，一項新發(fā)表于《自然·物理》的研究基于對鞭毛馬達分子結(jié)構(gòu)的實驗測量，以及對鞭毛如何切換旋轉(zhuǎn)方式的分析，提出了一個簡單、且在分子層面就能解釋這種行為的機制。這一機制表明：這種切換并非依賴鄰近蛋白質(zhì)的被動壓力，而是由彼此相距較遠的蛋白質(zhì)之間的一場主動“拔河”所驅(qū)動。

多米諾效應模型的問題

鞭毛馬達是一種美麗的分子機器。它由34個蛋白質(zhì)組成，排列成一個巨大的中央環(huán)結(jié)構(gòu)，由一種更小的被稱為定子的結(jié)構(gòu)提供動力。定子是允許帶電原子流入的通道，從而驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。

這些環(huán)狀蛋白質(zhì)根據(jù)它們從一種名為CheY-P的分子所接收到的信號，控制著尾部是順時針還是逆時針旋轉(zhuǎn)。如果CheY-P與其中某個蛋白質(zhì)結(jié)合，就會改變這一蛋白質(zhì)的構(gòu)象，使其傾向于朝順時針或逆時針方向旋轉(zhuǎn)。

根據(jù)CheY-P與不同的蛋白質(zhì)結(jié)合，這些環(huán)狀蛋白質(zhì)可能處于不同狀態(tài)：有些會讓鞭毛馬達更偏向順時針運動，而另一些則更傾向于逆時針旋轉(zhuǎn)。

（上）細菌游動時會使用像螺旋槳一樣旋轉(zhuǎn)的鞭狀尾巴：逆時針旋轉(zhuǎn)使細菌直線游動，順時針旋轉(zhuǎn)使細胞翻滾到一個新的方向。轉(zhuǎn)動由一種分子馬達控制，其中的定子驅(qū)動一個中央環(huán)結(jié)構(gòu)。（中）切換方向：當CheP-Y與中央環(huán)狀結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)結(jié)合時，蛋白質(zhì)傾向于翻轉(zhuǎn)構(gòu)象，并在定子外進行重新排列。一旦處于這種構(gòu)象，中央環(huán)狀結(jié)構(gòu)就向相反的方向旋轉(zhuǎn)。（下）拔河：為了平穩(wěn)地旋轉(zhuǎn)，34個蛋白質(zhì)必須對齊。早期模型設想的是一種多米諾級聯(lián)效應，其中的“齒輪”會采納相鄰鄰居的構(gòu)象。而新模型提出，與定子相關的蛋白質(zhì)之間存在一種拔河，占主導的構(gòu)象會翻轉(zhuǎn)其它的。（圖/Lucy Reading-Ikkanda / Simons Foundation）

在最初的平衡態(tài)模型中，科學家提出，相鄰蛋白質(zhì)之間的這種“分歧”最終會通過多米諾效應被消除。如果某個蛋白質(zhì)的鄰居促進了某一旋轉(zhuǎn)方向，那么這個蛋白質(zhì)就更可能“跟隨隊列”，采用同樣的狀態(tài)。

然而，在新的研究中，當研究人員在實驗中觀察鞭毛的實際切換旋轉(zhuǎn)方向的頻率時，得到的分布卻不能用平衡態(tài)模型來解釋。

在平衡態(tài)模型框架下，鞭毛馬達切換應當遵循一種“無記憶”的統(tǒng)計模式，即發(fā)生切換的概率不應取決于馬達在某一給定方向上已經(jīng)旋轉(zhuǎn)了多久。但實驗數(shù)據(jù)卻顯示：鞭毛馬達在某一方向上持續(xù)旋轉(zhuǎn)的時間分布出現(xiàn)了一個峰值——這在平衡系統(tǒng)中是不可能出現(xiàn)的。

尾巴內(nèi)部的拔河

研究人員推斷，馬達旋轉(zhuǎn)方向的切換不可能是一個被動的平衡過程——系統(tǒng)中必然有能量被注入，并以某種方式影響馬達如何、以及何時發(fā)生切換。他們從近年來的幾項關于馬達物理結(jié)構(gòu)的研究中，找到了支持這一推測的依據(jù)。

首先，鞭毛馬達中的中央蛋白質(zhì)環(huán)就像一個巨大的“中央齒輪”，每個蛋白質(zhì)都相當于這個“大齒輪”上的一枚“齒”。其次，定子并不僅僅是提供動力的“通用能量來源”，它們還像“更小的齒輪”一樣發(fā)揮作用。這些定子始終順時針旋轉(zhuǎn)，并與“大齒輪”的“齒”發(fā)生接觸。這些“齒”與定子接觸的方式，決定了它們會試圖讓鞭毛馬達朝哪個方向轉(zhuǎn)動。

“大齒輪”的“齒”可以改變位置，從而在定子的外緣或內(nèi)緣與這些“小齒輪”，即定子，發(fā)生接觸。當“齒”接觸定子的外緣時，定子會將“大齒輪”推向順時針方向；當“齒”接觸定子的內(nèi)緣時，定子則會將其推向逆時針方向。因此，盡管這些“小齒輪”始終順時針旋轉(zhuǎn)，但鞭毛本身卻可以向任一方向旋轉(zhuǎn)。

然而，當不同的“齒”采用的構(gòu)象不同時，就會出現(xiàn)沖突。有些“齒”可能在外側(cè)與定子接觸，從而偏向順時針；而其他一些“齒”則可能在內(nèi)側(cè)與定子接觸，試圖把系統(tǒng)推向相反方向。根據(jù)新的模型，所謂“拔河”正是在這里出現(xiàn)的。

想象所有“齒”都處在同一種外側(cè)構(gòu)象中，然后其中一個發(fā)生切換。隨著“大齒輪”的轉(zhuǎn)動，這個孤立的“唱反調(diào)者”最終會與某個定子接觸；而此時，定子會把它推向與其他所有“齒”相反的方向。由于這些“齒”在機械上是相互連接的，因此這個“齒”會同時感受到來自多個“主動齒”在一個方向上推它，以及另一個“唱反調(diào)者齒”在相反方向推它。由于“唱反調(diào)者齒”與整體運動不同步，因此作用在它身上的扭矩會大得多。

這就像是一場機械版的拔河——如果“唱反調(diào)者齒”所承受的機械力過強，它就會切換，轉(zhuǎn)而加入占多數(shù)的一方；但如果有足夠多的齒都在“唱反調(diào)”，那么整個鞭毛馬達就會改變方向。

研究團隊將這一過程稱為“全局機械耦合”。這個名稱旨在強調(diào)：驅(qū)動每一枚“齒”朝某個方向轉(zhuǎn)動的力，并不只是由它與相鄰“齒”之間的相互作用決定；而是所有與定子接觸的“齒”，都會在一個集體過程中彼此影響。

全局機械耦合也能夠產(chǎn)生先前實驗中觀察到的那種分布峰值。因為定子在方向切換中是主動參與者，而不僅僅是提供旋轉(zhuǎn)動力的通用能量來源，它們會向系統(tǒng)注入能量，從而把系統(tǒng)推離平衡態(tài)。

解開鞭毛及其之外的謎團

研究團隊希望這一新的模型能被用于理解生物體內(nèi)的其他非平衡系統(tǒng)。因為生命系統(tǒng)總是在非平衡狀態(tài)下運作的，它們會耗散能量，而這種能量對生物功能至關重要。

研究人員表示，他們將繼續(xù)完善這一模型，以整合更多實驗數(shù)據(jù)。例如，他們的模型預測：逆時針持續(xù)時間的分布會出現(xiàn)峰值，但其時間尺度比實驗觀察到的更短。

另外，對鞭毛的理解也會影響科學家如何理解更復雜的系統(tǒng)。科學家們對鞭毛的研究已經(jīng)足夠深入，因此鞭毛也成了檢驗各種想法的完美系統(tǒng)——而新研究所發(fā)現(xiàn)的東西，也能有助于科學家思考更復雜的生物學問題。

#參考來源：

https://www.simonsfoundation.org/2026/01/08/a-tug-of-war-explains-a-decades-old-question-about-how-bacteria-swim/

https://www.nature.com/articles/s41567-025-03105-2

#圖片來源：

封面圖&首圖：Hoi Chan for Simons Foundation