中国科大发现细菌鞭毛马达转向别构调控的非平衡因素

近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室及物理系的袁军华、张榕京课题组，在细菌运动行为研究领域取得新进展，发现细菌鞭毛转向别构调控中的非平衡因素，研究成果以Non-equilibrium effect in the allosteric regulation of the bacterial flagellar switch 为题，发表在《自然-物理》(Nature Physics, doi:10.1038/nphys4081)上。《自然-物理》在同期的“新闻视角”(News and Views)栏目，专门配发了题为Biomolecular switches: Driven to peak 的评论文章。

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。别构调控这一现象通常是由平衡态模型来描述的。作为细菌运动行为基础的鞭毛马达转向调控，就是一个典型的别构调控过程。最近几十年来，人们一直在为这个调控过程是否有非平衡因素（外部能量输入）而各持己见、争论不休。该团队通过发展新的实验手段，系统测量了马达在各种实验条件下的转向改变动力学行为，明确地发现这个调控过程中的非平衡因素，并进一步提出了非平衡态模型，提出这个非平衡过程的能量输入机制，解决了这个长期以来的争议。

这个非平衡机制的发现，也揭示了细菌鞭毛马达的力感应机制。该研究发现，虽然马达的能量输入仅有约0.2%用于别构调控，却很大程度上提高了马达对信号蛋白的灵敏度。这个发现对其它生物大分子机器的研究也有启发，预计在其它生物大分子机器中也会有这种将部分能量输入用于功能调控的非平衡现象。

该课题组的博士生王芳彬、史慧、何瑞是该文共同第一作者，袁军华和张榕京是通讯作者，其他作者还包括该团队的博士生汪仁杰。上述研究得到了国家基金委、中国科大创新团队基金、国家青年千人计划和安徽省自然基金的支持。

图：马达转向调控的理论模型（整个调控环有34个调控单元）a.平衡态模型中单个调控单元的自由能级图。每个单元可处于逆时针(CCW)或顺时针(CW)态，并有一个信号蛋白CheY-P的结合位点。b.在平衡态模型中，相邻态之间的转换速率满足细致平衡。c.马达力矩提供了非平衡能量输入，增加了CCW和CW态之间的能量间隔。d.非平衡能量输入破坏了细致平衡，导致净反应速率流。