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生物学家跟踪细菌鞭毛马达的演变

英国伦敦帝国理工学院的生物学家利用3D图像展示了细菌如何进化出不同能量的“鞭毛”马达,以优化游泳。

细菌使用几十纳米宽的分子马达旋转尾巴(鞭毛),将它们推入栖息地。

与人造马达一样,这些纳米级机器具有独特的“定子”和“转子”组件,它们相互旋转。这些电机的结构决定了它们的功率和细菌的游泳能力。此前,帝国理工学院的研究员Morgan Beeby及其合作者对这些电机进行了研究,发现了决定细菌游动强度的关键因素。

他们发现细菌运动所具有的定子结构越多,其转动力越大,细菌游动的能力越强。尽管存在这些差异,DNA序列分析显示核心电机与祖先相关。这导致团队质疑结构和游泳多样性是如何从相同的核心设计演变而来的。

北京赛车pk10开奖现在,在“科学报告”杂志上发表的新研究中,Beeby博士的团队通过将3D成像与DNA分析相结合,能够建立细菌马达的“家谱”。这使他们能够了解祖先电机的外观,以及它们如何演变成今天所见的复杂电机。科学家们发现了原始和复杂细菌物种的发动机之间的明显差异。虽然许多原始物种有大约12个定子,但更复杂的物种有大约17个定子。这与DNA分析一起表明,古代汽车也可能只有12个定子。

作者说:“原始物种和复杂物种之间的这种明显分离代表了进化中的”巨大飞跃“。“我们的研究表明,电机功率容量的增加可能是现有结构融合的结果。这形成了一个结构支架,以结合更多的定子,结合起来以更高的力量驱动旋转。“

为了进行这项研究,Beeby博士及其同事利用一种称为低温选择显微镜的方法,对来自不同种类细菌(Wolinellasuccinogenes,Arcobacter butzleri和Bdellovibriobacteriovorus)的多种电机进行了可视化。该方法涉及使活细胞内的马达快速冷冻。一旦冻结,就可以从各个角度对它们进行成像,以建立电机内部电机外观的3D图像。

然后,该团队使用DNA序列分析建立了该物种的“家谱”,这与他们的游泳能力和运动特性有关。

研究人员发现,具有17个或更多定子的细菌及其亲属在其马达上附加了额外的结构。他们相信这些额外的结构融合在复杂的细菌中,以提供更大的支架,以支持更多的定子。“然而,这可能不是一次性事件,”他们说。“额外的结构似乎已经在不同种类的细菌中进化了很多次,使用不同的构建块但产生相同的功能。”

“细菌马达是复杂的机器,但通过这样的研究,我们可以看到它们是如何以不同的步骤进化的,”Beeby博士补充道。“此外,从12个定子到17个的'飞跃',虽然是一个伟大的创新,但与高等动物的翅膀,眼睛或神经系统一样,具有'生物必然性'的一个方面:高扭矩的前兆已演变为多个时间,其中一组最终融合形成我们在工作中描述的脚手架。“

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