细菌鞭毛钩在不同运动行为下的差异性弯曲刚度

目的鞭毛钩是推动细菌游动的鞭毛的重要组成部分,其力学性质对鞭毛实现正常功能至关重要,进而影响细菌的运动能力甚至感染宿主的能力。本文发展流场单分子施力技术,精确测量活细菌鞭毛钩的抗弯刚度,发现细菌鞭毛钩在不同运动行为下展现不同的弯曲刚度,并探索这种不对称性对于细胞运动的重要性。方法在微流系统中,通过将弹性杆模型与流场单分子施力的高分辨率微珠实验结合,准确测量了细菌鞭毛钩在逆时针或顺时针旋转下的弯曲刚度。结果阐明了鞭毛钩如何实现这种双重功能:在顺时针旋转下,鞭毛钩变得更加坚硬,其弯曲刚度是逆时针旋转下的两倍。讨论该结果为多鞭毛细菌提供了鲁棒的交替直行和翻滚的游动能力。自然界中存在种类丰富的鞭毛细菌,鞭毛钩的力学性质在各种鞭毛细菌的不同运动模式中起着关键作用,比如本团队之前在极性单鞭毛细菌-铜绿假单胞菌中发现的wrap游动新模式[PNAS 119,e2120508119(2022)],就是由其鞭毛钩足够柔性的抗弯刚度实现的。这里发展的精确测量鞭毛钩力学性质的方法,可以方便地用于其他种类细菌的测量中。本研究结果对于理解细菌运动机制和设计新型微纳机器人具有重要意义。