來自弗吉尼亞大學醫學院的研究人員和他們的同事已經解決了關於大腸桿菌和其他細菌如何移動的一個長期之謎。細菌通過將它們長長的線狀附屬物捲成開瓶器形狀來向前移動，這些附屬物可以作為臨時的“螺旋槳”。然而，由於這些“螺旋槳”是由單一的蛋白質形成的，專家們對它們究竟是如何做到這一點感到困惑。

由弗吉尼亞大學的Edward H. Egelman博士領導的一個國際小組已經解決了這個問題，他是冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）這一高科技領域的先驅。研究人員利用低溫電子顯微鏡和強大的計算機建模，揭示了傳統光學顯微鏡無法看到的東西：這些“螺旋槳”在單個原子層面的不尋常結構。

弗吉尼亞大學生物化學和分子遺傳學系的Egelman說：“雖然50年來一直存在著這些細絲如何形成如此規則的盤繞形狀的模型，但我們現在已經以原子細節確定了這些細絲的結構。我們可以證明這些模型是錯誤的，我們的新認識將有助於為可能基於這種微型推進器的技術鋪平道路。”

不同的細菌都有一個或多個被稱為鞭毛的附屬物。一個鞭毛是由成千上萬的亞單位組成的，所有這些亞單位都是相同的。你會想像這樣的尾巴會是直的，或者至少有些靈活，但它會阻止細菌移動。這是由於這樣的形狀不能產生推力。需要一個旋轉的、類似開瓶器的“螺旋槳”來推動細菌前進。科學家們把這種形狀的發展稱為“超級捲曲”，經過50多年的研究，他們現在知道了細菌是如何做到這一點的。

Egelman和他的同事利用低溫電鏡發現，構成鞭毛的蛋白質可能以11種不同的狀態存在。開瓶器的形狀是由這些狀態的精確組合形成的。

人們已經知道，細菌中的螺旋槳與被稱為古細菌的酣暢淋漓的單細胞生物所使用的類似螺旋槳有很大不同。在地球上一些最極端的環境中發現了古細菌，例如在幾乎沸騰的酸池、海洋的最底層和地下深處的石油礦藏中。

Egelman及其同事使用冷凍電子顯微鏡檢查了一種古細菌Saccharolobus islandicus的鞭毛，並發現形成其鞭毛的蛋白質以10種不同的狀態存在。雖然細節與研究人員在細菌中看到的有很大不同，但結果是一樣的，絲狀物形成了規則的“開瓶器”。他們得出結論，這是一個“趨同進化”的例子–當自然界通過非常不同的手段得出類似的解決方案。這表明，即使細菌和古細菌的“螺旋槳”在形式和功能上很相似，但這些生物是獨立進化出這些特徵的。

“就像鳥類、蝙蝠和蜜蜂一樣，它們都獨立地進化出了用於飛行的翅膀，細菌和古細菌的進化在兩者中都匯聚到了類似的游泳解決方案上。”Egelman說，他之前的成像工作使他入選了美國國家科學院，這是一個科學家可以獲得的最高榮譽之一。“由於這些生物結構是在數十億年前出現在地球上的，所以了解它們所花的50年時間可能看起來並不長。”