细菌的“超级马达”，每分钟14万转，磁悬浮轴承，能量效率拉满，如此精妙的“设计”，真是自然产物吗？

生命的精妙是令人叹为观止的，即使是小小的细菌也不例外，下面我们就来聊一下细菌的“超级马达”，看看它到底有多精妙。
地球上已知的细菌中，有很多都长着一条或多条细长的鞭毛，这些鞭毛会像轮船的螺旋桨一样高速旋转，进而使细菌具备了运动功能。

驱动鞭毛旋转的，是一种由12种蛋白、175个亚基，总分子量约为630万道尔顿的纳米结构，这被称为“鞭毛马达”（flagellar motor）。从整体上来讲，细菌的“鞭毛马达”可分为转子单元、定子单元和传动轴三个部分。
其中转子单元的核心是一个能一起旋转的MS环（相当于主转子），下方接着一个由主要由FliG、FliM和FliN蛋白构成的C环（相当于控制器），它能根据环境信号决定马达该顺时针还是逆时针转。
围绕在转子旁边的则是定子单元，主要由MotA和MotB蛋白构成，它其实是一种离子通道，质子从通道流过时给定子“推”转子提供动力，就像电机里的驱动线圈。
而传动轴则是一种刚性的蛋白质杆状结构，它贯穿整个装置，负责将来自转子单元的动力向外传递。

细菌的“鞭毛马达”由质子动力驱动，其过程简单来讲就是，细菌通过其生命活动将细胞质内的质子泵到细胞膜外，在膜的两侧建立起明显的质子浓度梯度，这就像水坝两侧的水位差。
而定子单元就像是这个“水坝”上的“闸门”，当“鞭毛马达”需要启动时，“闸门”会打开，于是大量的质子就会涌入。
在此过程中，质子只能通过定子单元的离子通道，这会诱发MotA/MotB蛋白发生构象变化，进而产生一个扭矩，作用于转子（MS环/C环）的特定位点，进而推动转子单元旋转，由于质子是源源不断涌入的，这个过程就会以极高的频率重复，从而持续推动转子单元高速旋转。

引人注目的是，细菌的“鞭毛马达”基体中还有一种精妙的磁悬浮轴承结构，其环状构造能通过电荷分布与蛋白质结构形成一种近乎“无接触式”的支撑形式。
这种结构就在大程度上保证高速旋转的传动轴在穿过细菌外层结构时保持稳定、不晃动、几乎不会磨损，并且能量效率拉满（通常都可以达到90%以上）。
研究表明，细菌的“鞭毛马达”的转速可以高达每分钟14万转（甚至更高），并且在毫秒级的时间内就能完成正反转的切换，当其全速工作时，甚至能让细菌以每秒数十甚至上百个自身长度的速度运动，按比例放大的话，这大概相当于相当于一个人以每秒上百米的速度狂奔。

（↑减速20倍的影像）
由此可见，说它是细菌的“超级马达”，确实一点都不夸张。这样的情况不免会令人产生疑惑，如此精妙的“设计”，真是自然产物吗？


有70%的细菌有鞭毛这种器官，这些细菌也主要靠鞭毛的摆动来活动，生活中离不开汽车等带轮子的交通工具，轴承和转轮几乎是我们人类社会不可或缺的机械，在动植物界，没有一种生物进化出了具有轴承机械原理的可以旋转的器官，没想到在细菌界中，大部分的细菌都有这种结构，这真的是一个让人十分吃惊的发现。
此前，科学家们对细菌鞭毛马达的详细结构，组件情况，运作机制等并不清晰，也不知道鞭毛马达的工作原理（如何实现高效扭矩传输进而驱动鞭毛丝高速运转），浙江大学用300千伏冷冻电镜平台，终于清晰观测到了鞭毛马达的不同组件
。
就如同驱动一辆车所需要的桩子一样，小小的鞭毛马达拥有的组建，包括了包括联动杆、外膜环、周质环、内膜环、分泌装置以及接头装置等，这一套套的组件就完美地配置在只有26纳米的鞭毛马达上，制造了一个如同飞机发动机的结构，所以称其为“马达”也是非常合适的，该“马达”由175个蛋白质亚基组成，分子质量约为6.3MDA（极小的分子量单位），虽然小但是结构很复杂。

而通过观察细菌及细菌鞭毛的运动也能发现，细菌的鞭毛也是通过鞭毛马达旋转产生动力，再通过扭矩传输给接头装置，进而带动鞭毛丝运动，这样整条鞭毛就会如螺旋桨般推动细菌向前运动，相比较而言，它的速度也相当快，1秒钟就可以跑出相当于自身长度数十倍的距离，如果我们人类有这样的速度，那么百米赛只需要一秒钟就能跑完，可见细菌的鞭毛马达动力是非常强劲的。



这样看来，一个细菌也可以说就是一台机器，只是它小到了纳米的级别层次上，那么鞭毛马达是如何启动和运动的呢？什么力量或者说能量激发了鞭毛马达的高数旋转呢？研究团队通过观测和分析发现其上含有质子泵，可以通过转运氢离子带动质子泵的转动，相当于将化学能转变为成了机械能，这样一来就可以将扭矩传给鞭毛马达的内膜环，促成内膜环的转动起来，