细菌如何凭借鞭毛在微观通道中灵活穿梭？研究揭示其秘密

研究人员发现细菌如何突破仅比自身大一点的空间，通过把鞭毛缠绕在自己身上向前移动。利用一种模拟昆虫肠道通道的微流体装置，研究小组揭示了一种显著的“鞭毛缠绕”运动，让共生细菌能够通过宽度为1微米的隧道。基因编辑和数学计算表明，鞭毛中一个叫做‘钩’的微小关节的灵活性对这种螺旋运动非常重要，甚至决定了细菌能否成功感染它们的昆虫宿主。

日本的研究团队由电气通信大学的中根大辅博士和神田哲夫博士、立命馆大学的和田宏文博士以及先进工业科学技术研究所的菊池义友博士领导，他们的研究已经在《自然通讯》上发表。

鞭毛缠绕如何实现运动

研究表明，某些共生细菌将其旋转的鞭毛——用于游泳的螺旋尾巴——缠绕在细胞体周围，形成一种“螺旋结构”。这种结构让它们能够在1微米宽的通道中顺利前进，比如昆虫肠道内的通道，否则这些通道会把它们困住，甚至让它们动不了。

为了可视化这种显著的运动，研究人员构建了一个准一维微流控装置，模拟了昆虫肠道“分拣器官”的几何结构。在显微镜下，研究人员观察到一种叫Caballeronia insecticola的细菌通过反复缠绕和解开鞭毛，顺利地在狭窄的通道中移动。而那些无法缠绕的相关物种则被卡住了。

计算机模拟证实了包裹运动的物理优势：在狭小空间中，正常的鞭毛旋转只是搅动流体，而包裹鞭毛像旋转的螺旋钻一样有效地在墙壁中产生推进力，有效地推动细胞前进。

研究小组进一步证明，连接鞭毛马达和丝状体的一个叫做钩子的柔性关节是实现这种运动的关键。当研究人员将‘包裹’物种的钩子基因换成‘非包裹’物种的钩子基因时，穿过狭小空间的能力，甚至感染宿主昆虫的能力，也随之丧失。

对生物学和工程学的启示

这一发现强调了细菌的一种新的物理生存策略，揭示了这些简单的微生物如何利用机械原理在复杂环境中导航。

理解这些 微观钻探 的运动，可能会激发能够在粘稠或拥挤环境中移动的微型机器人，比如在组织或过滤系统中。

“鞭毛缠绕展示了生命如何以优雅且意想不到的方式来解决机械问题，”中根博士说。“这就像是自然进化出的微观工程智慧。”

更多信息，请参阅： Aoba Yoshioka 等，通过鞭毛缠绕突破一平方微米的通道，《自然通讯》（2026）。 数字对象标识符（DOI）：10.1038/s41467-025-67507-9