中国科学院南海海洋研究所（后简称“南海海洋所”）热带海洋环境与岛礁生态全国重点实验室、热带海洋生物资源与生态实验室研究团队，围绕细菌复杂鞭毛马达的精细结构、组装时序与演化路径开展系统研究。相关成果以“Structural insights into the assembly and evolution of a complex bacterial flagellar motor”为题，于1月9日在线发表于微生物学领域权威期刊《自然·微生物》（Nature Microbiology）。南海海洋所博士生冯雪银、耶鲁大学医学院博士后Shoichi Tachiyama、山东大学博士生何静以及南海海洋所助理研究员朱思琦为论文共同第一作者；南海海洋所研究员高贝乐、耶鲁大学教授刘骏和山东大学教授高翔为论文共同通讯作者。该研究整体科学构想与研究设计由研究员高贝乐与教授刘骏共同提出并主导完成。

鞭毛是驱动细菌细胞运动的重要纳米机器，在海洋等多种环境中协助细菌实现空间迁移与环境响应。不同细菌的鞭毛结构差异显著，以往研究主要集中于结构简单的模式菌株大肠杆菌和沙门氏菌的马达；然而，自然界中的大多数细菌存在更为复杂的鞭毛马达，其额外结构的组成、组装时序以及进化路径缺乏系统研究，限制了我们对细菌马达的多样性和运动机制的全面理解。空肠弯曲菌具有高度复杂的鞭毛马达结构，为研究该问题提供了理想模型。本团队前期研究（Chen et. al, PNAS, 2025 Jan 7;122(1):e2412594121.）揭示了空肠弯曲菌马达的胞质部分存在一个四聚体PilZ家族蛋白FlgX，并且该蛋白复合体处于经典模型中的定子与转子结合界面，因此阻碍了定子与转子的结合，说明该复杂马达的旋转机制区别于经典模型。

最近，研究团队进一步构建了空肠弯曲菌复杂鞭毛马达近乎完整的结构模型，解析了自1979年发现以来成分一直未知的周质E环、由FcpMNO和PflD组成的外周笼、以及PflA辐条-PflB轮圈复合体的精细结构及其互作细节。这些复杂支架结构通过精密的互作网络，稳定了多达17个定子单元，从而产生超高转矩，为鞭毛提供了强大的动力以适应复杂环境。

图1 空肠弯曲菌复杂鞭毛马达的完整模型

该研究还首次报道了复杂支架蛋白的表达调控机制及其组装次序，发现内膜锚定支架与定子复合体的组装早于鞭毛杆形成，表明鞭毛基因的表达受到严格的时空顺序调控，遵循由内而外的层级化组装逻辑。此外，该体系中的组装顺序明显区别于经典模型中定子在鞭毛杆和鞭毛钩之后组装的模式；同时，复杂马达中的定子数目保持恒定，也不同于经典模型中定子的动态交换的机制。

进化分析显示，笼状结构是弯曲菌门的特有结构，而E环和辐条结构广泛存在于多种具有鞭毛的物种中，暗示其可能起源于细菌共同祖先，演化历史久远。研究进一步揭示，弯曲菌门自深海热液口祖先开始，其鞭毛马达“借用”了IV型菌毛系统的部分结构单元，形成了包裹定子复合体的辐条与笼状结构，是细菌大分子机器演化过程中一次典型的“拓展适应（exaptation）”事件。

图2 复杂支架蛋白的进化分析

该研究响应了“向极微观深入”的科学研究前沿趋势，在结构和进化层面深化了对细菌纳米马达的认知，揭示了一系列不同于经典模型的新组分和新机制。相关成果为理解复杂分子机器的结构创新、功能适应及其在不同生态环境中的演化路径提供了重要理论依据，同时也有助于进一步阐释纳米机器的起源与进化，并为基于合成生物学手段对其进行改造与利用奠定基础。

本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划以及广东省科技计划等项目的资助。

相关论文信息：Xueyin Feng, Shoichi Tachiyama, Jing He, Siqi Zhu, Hang Zhao, Jack M. Botting, Yanran Liu, Yuanyuan Chen, Canfeng Hua, María Lara-Tejero, Matthew A. B. Baker, Xiang Gao*, Jun Liu*, Beile Gao*. Structural insights into the assembly and evolution of a complex bacterial flagellar motor. Nature Microbiology, 2026.

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41564-025-02248-5