鞭毛缠绕：细菌突破微米级狭窄通道的运动新机制及其在宿主-共生菌互作中的意义

《Nature Communications》：Bacteria break through one-micrometer-square passages by flagellar wrapping

在土壤团聚体、肠道隐窝等天然微环境中，空间限域极大限制了细菌的有效扩散，但其穿越机制尚不明确。本研究以昆虫共生菌Caballeronia insecticola为模型，通过模拟宿主筛选器官的准一维微流控装置（Q-1D），首次揭示细菌通过鞭毛缠绕细胞体形成“螺纹式”推进机制，高效穿越直径仅1微米的狭窄通道。物理模拟与遗传实验表明，鞭毛钩（hook）的适度柔性是缠绕运动的关键，其刚性增强会显著削弱细菌在限域环境中的运动能力与宿主感染效率。该研究为理解细菌在微环境中的适应性进化提供了新视角。

　　

在自然界中，细菌遍布从深海沟壑到动物体内的各类微环境，这些空间常存在直径仅数微米的狭窄通道（如土壤孔隙、肠道隐窝），严重限制细菌的运动效率。尽管细菌鞭毛旋转驱动的游动机制已被广泛研究，但其在极端限域条件下的适应性行为仍不明确。尤其在许多动物共生系统中（如鱿鱼-发光杆菌、蝽象-肠道共生菌），宿主通过直径约1微米的管状筛选器官（CR）从环境微生物中特异性筛选共生菌，但细菌穿越此类通道的机制一直是未解之谜。

针对这一挑战，日本电气通信大学、产业技术综合研究所等团队在《Nature Communications》发表研究，以蝽象共生菌Caballeronia insecticola为模型，结合微流控仿生装置、高速荧光成像与流体力学模拟，揭示了细菌通过鞭毛缠绕细胞体的创新运动模式，并阐明其物理机制与生态意义。

关键技术方法

研究通过构建准一维微流控装置（Q-1D，通道宽深均为1μm）模拟宿主筛选器官的物理限域，结合高速荧光显微镜（5-10ms分辨率）直接观察鞭毛动态；利用胺反应性染料标记鞭毛丝，定量分析钩柔性（通过布朗运动方差计算刚度）；通过基因交换实验（交换C. insecticola与B. anthina的flgE基因）验证钩柔性的功能；采用流体力学模型模拟限域环境下的推进效率，并开展体内竞争感染实验（qPCR定量共生器官内菌群比例）。

结果

1. 宿主肠道中鞭毛缠绕的直接证据

通过解剖喂食GFP标记菌的蝽象若虫，发现C. insecticola在CR-M4B区域（直径≈1μm）呈现定向运动（净位移50μm/分钟）。高速成像显示，细菌在通道内以鞭毛缠绕细胞体的模式运动，且鞭毛马达始终位于细胞前端（图1f,g）。这种取向可能源于通道的物理限制（无法U型转弯），从而驱动细菌向共生器官定向迁移。

2. 微流控装置揭示缠绕运动的物理优势

在Q-1D装置中，C. insecticola沿通道定向运动，净位移达80μm/min，而鞭毛丝缠绕比例在限域环境中升至65%（较自由环境提高3-4倍）。相比之下，沙门氏菌（周生鞭毛）运动方向性差，且无缠绕现象（图2, S4）。流体模拟表明，在窄管中，缠绕模式能像“螺旋钻”一样刮擦流体产生层流，而展开模式因细胞体与壁面摩擦难以有效推进（图3g,h）。当径向间隙DR/(H/2)=0.025（对应1μm通道）时，缠绕模式的游动速度（180μm/min）与实验值高度吻合。

3. 钩柔性是缠绕运动的关键决定因素

通过比较13种伯克霍尔德菌及相关物种，发现能高效穿越Q-1D的物种（如C. insecticola、Pandoraea norimbergensis）均呈现高频鞭毛缠绕，且其宿主感染率近100%；而运动能力弱的物种（如B. anthina）鞭毛呈环状折叠而非缠绕（图3a-f）。钩柔性测量显示，C. insecticola的钩刚度（A_hook）显著低于B. anthina（方差σ=0.038±0.008 vs. 0.006）。机械模型进一步验证：当A_hook/A=0.02（A为丝刚度）时，鞭毛可平滑缠绕；刚性升高（A_hook/A=0.14）则导致缠绕不全（图4a, S9）。

4. 钩柔性遗传改造验证其生物学功能

将C. insecticola的flgE基因替换为B. anthina的同源基因后，突变体在Q-1D中位移降至近零，且鞭毛缠绕消失；反之，B. anthina表达C. insecticola的FlgE后虽出现缠绕，但运动能力仍低于野生型（图4b-e）。竞争感染实验表明，钩刚性增高的C. insecticola突变体在蝽象共生器官中的定植竞争力显著下降（竞争指数CI<1）（图4f）。

结论与意义

本研究首次证实鞭毛缠绕是细菌在微米级限域环境中高效运动的关键适应性策略，其效率依赖于鞭毛钩的适度柔性。这一机制不仅解释了昆虫共生菌特异性定植的物理基础，也为理解病原菌（如幽门螺杆菌、铜绿假单胞菌）穿越黏膜等黏稠环境的机制提供新思路。从进化视角看，钩柔性可能代表鞭毛运动装置在“推进效率”与“空间适应性”间的权衡，为微生物生态学与生物力学交叉研究开辟了新方向。