細菌的「超高效馬達」：揭開鞭毛馬達的奧秘

當我們談到「馬達」，大多數人會聯想到汽車或機器中的機械裝置。然而，在微生物的世界裡，一種更為精巧的生物馬達已經存在了數百萬年。許多細菌利用一種稱為「鞭毛」的尾狀結構來在液體中移動，而這種運動的動力來源，正是由一種名為「鞭毛馬達」的蛋白質複合體所驅動。

鞭毛馬達主要由兩個關鍵部分組成：轉子和定子。轉子是一個固定在細胞膜上的大型旋轉結構，負責驅動鞭毛的運動；而定子則是圍繞在轉子周圍的較小結構，內部含有離子通道，能夠根據細菌種類的不同，傳輸質子或鈉離子。當這些帶電粒子透過時，定子會發生結構變化，對轉子施加力量，使其旋轉。儘管過去的研究已對定子進行了深入探討，但其離子通道的確切結構和功能仍存在許多未解之謎。

在此背景下，由名古屋工業大學的西野達朗助理教授領導的研究團隊，針對海洋弧菌（Vibrio alginolyticus）的鞭毛馬達進行了詳細分析。團隊成員還包括大阪大學的竹川範博和今田勝美、京都工業大學的岸川純一，以及名古屋大學的小島誠司。他們的研究成果於2024年12月30日發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。

研究團隊使用了冷凍電子顯微鏡（CryoEM）技術，這是一種能夠快速冷凍生物分子並以電子顯微鏡拍攝高解析度影像的強大工具。透過對正常和基因改造的海洋弧菌進行CryoEM分析，團隊捕捉了定子複合體在不同狀態下的影像，並識別出鈉離子的關鍵分子腔室。

基於這些結果，團隊提出了一個模型，描述了鈉離子如何透過定子。簡單來說，海洋弧菌中的定子亞單位排列成環狀，充當基於尺寸的過濾器，允許鈉離子進入特定的腔室，而排除其他離子。此外，研究人員還確定了離子通道阻斷劑苯胺（phenamil）如何抑制鈉離子透過定子的機制。

這項研究的發現可能具有重要的醫學意義。鞭毛運動與某些病原菌的感染和毒性有關，而這項研究的動機之一，正是希望透過限制這些細菌的運動來使其失去活性。西野達朗指出，理解鞭毛運動的分子機制將是實現這一目標的關鍵。

此外，對鞭毛馬達的瞭解還可能啟發微型機器的創新設計。鞭毛馬達是一種直徑約45奈米的分子奈米機器，其能量轉換效率接近100%。西野達朗總結道：「我們的研究成果是釐清其扭矩生成機制的一大步，這對於工程化奈米級分子馬達至關重要。」

讓我們期待未來的研究能夠進一步揭開這些天然奇妙機器的所有細節！

參考文獻：
Structural insight into sodium ion pathway in the bacterial flagellar stator from marine Vibrio by Tatsuro Nishikino, Norihiro Takekawa, Jun-ichi Kishikawa, Mika Hirose, Seiji Kojima, Michio Homma, Takayuki Kato and Katsumi Imada, 30 December 2024, Proceedings of the National Academy of Sciences. DOI: 10.1073/pnas.2415713122