中国科大物理系袁军华、张榕京课题组通过对细菌鞭毛马达在阻停时的转向动力学的精确测量，提出了马达转向别构调控的非平衡热力学新机制，该机制对其它分子马达调控的非平衡机制也有启发。该研究结果于2021年12月21日发表在《物理评论快报》上[Phys. Rev. Lett. 127, 268101 (2021)]。

细菌运动是其生存和感染宿主的关键。鞭毛驱动的细菌游动是细菌的典型运动机制。鞭毛马达有两大功能：产生力矩驱动鞭毛丝的转动而使细菌游动；根据环境调节其顺时针和逆时针转向的概率而调节细菌游动模式，从而使细菌游向有利生存环境、躲避有害环境。马达转向调控是一个典型的别构调控过程。别构调控是指蛋白质复合体(protein complex)的一个位点结合效应因子(effector)后，通过长程构象变化来影响其它位点功能的现象。这是在生命现象中广泛存在的一个重要调控机制，普遍存在于酶的活性调节、信号转导系统的受体活性调节、离子通道调控、基因表达调控等重要生理过程中。鞭毛马达动力学性质受其负载影响很大，以往研究了其转向调控从低到高负载下的动力学性质，但由于技术限制，对极高负载甚至是阻停下的转向动力学未有研究。该团队提出了使用光镊阻停鞭毛马达、并利用光镊的高时空分辨来对马达在阻停下的转向动力学进行高分辨研究的方法，精确测量了马达在阻停下的转向动力学性质。该团队进一步对比了其它负载下的动力学性质，提出了马达顺时针和逆时针转向下力矩的不对称提供马达转向调控非平衡能量输入的新机制，一致地解释了马达在所有负载下转向调控的动力学性质。这一发现可启发研究其它别构调控过程的可能非平衡热力学机制，也解释了马达在两个转向下力矩不对称性的重要生理意义。

图1. 阻停下的马达转向动力学。

（a）阻停下的细菌明场图像。“x”代表光镊位置，“.”代表胞体通过鞭毛丝粘住玻璃片的位置。（b）实验概念图。

（c）一个典型的马达转向改变信号。纵轴代表光镊x信号输出，右边是对应的信号统计图。上述研究得到了国家自然科学基金委、科技部、合肥大科学中心协同创新培养基金、博士后创新人才计划的支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.268101

（物理学院、科研部）