هنگامی سخن بگویید از موتور می‌شود، زیاد تر افراد به موتورهای خودروها و ماشین‌آلات صنعتی فکر می‌کنند. اما در طبیعت، موتورهای زیستی میلیون‌ها سال است که در میکروارگانیسم‌ها وجود دارند. یکی از این موتورها در باکتری‌های دارای ساختارهای دم‌همانند موسوم به «فلاژل» یافت می‌شود که با چرخش خود، باکتری را در مایعات به حرکت درمی‌آورد. این حرکت وابسته به یک مجموعه‌ پروتئینی به نام «موتور فلاژلی» است.

موتور فلاژلی از دو قسمت مهم راه اندازی شده است: «روتور» و «استاتورها». روتور یک ساختار بزرگ و چرخان است که به غشای سلولی متصل شده و فلاژل را می‌چرخاند. در روبه رو، استاتورها ساختارهای کوچک‌تری می باشند که حاوی «مسیرهای یونی» بوده و بسته به نوع باکتری می‌توانند پروتون‌ها یا یون‌های سدیم را عبور دهند. هنگامی که ذرات باردار از استاتور عبور می‌کنند، تغییرات ساختاری در آنها رخ داده و علتفشار بر روتور و چرخش آن خواهد شد. با وجود تحقیقات متعدد، ساختار دقیق و مکانیسم‌های کارکرد مسیرهای یونی هم چنان ناشناخته باقی مانده است.

در همین جهت، تیمی از پژوهشگران به سرپرستی تاتسورو نیشیکینو از مؤسسه‌ فناوری ناگویا به بازدید موتور فلاژلی در گونه‌ باکتریایی ویبریو آلجینولتیکوس (Vibrio alginolyticus) پرداختند.

این مطالعه، اجزای کلیدی مسیرهای یونی سدیم را در استاتور موتور فلاژلی شناسایی کرد. این چنین، برخی تغییرات ساختاری استاتور که زمان عبور یون‌ها رخ می‌دهد و نحوه‌ تأثیرگذاری جهش‌های ژنتیکی و ترکیبات شیمیایی خاص بر این فرآیند نیز اشکار شد.

محققان از روش میکروسکوپ الکترونی کریو (CryoEM) منفعت گیری کردند که امکان ثبت تصاویر با وضوح بالا از مولکول‌های زیستی را با انجماد سریع مثالها و تصویربرداری توسط میکروسکوپ الکترونی فراهم می‌کند. آنها با منفعت گیری از این روش، مثالهای طبیعی و اصلاح‌شده‌ ژنتیکی ویبریو آلجینولتیکوس را بازدید کرده و تصاویری از استاتورها در حالات گوناگون تهیه کردند. در این بازدید، حفره‌های مولکولی کلیدی برای عبور یون‌های سدیم شناسایی شدند.

بر پایه این نتایج، تیم تحقیقاتی مدلی برای توصیف نحوه‌ عبور یون‌های سدیم از استاتور اراعه کرد. به طور خلاصه، زیرواحدهایی که استاتورها را در این باکتری راه اندازی خواهند داد، به شکل حلقه‌ای مرتب شده‌اند و به گفتن فیلترهای اندازه‌محور عمل می‌کنند که اجازه‌ ورود یون‌های سدیم را به حفره‌های اشکار‌شده خواهند داد، اما دیگر یون‌ها را عبور نمی‌دهند. این چنین، پژوهشگران مکانیسم کارکرد فنامل (Phenamil)، یک مسدودکننده‌ کانال یونی، را در جلوگیری از عبور یون‌های سدیم از استاتور اشکار کردند.

نتایج این مطالعه می‌تواند پیامدهای مهمی در حوزه‌ پزشکی داشته باشد. نیشیکینو در این رابطه توضیح می‌دهد: حرکت بر پایه‌ فلاژل در فرآیند عفونت‌زایی و تشکیل سم در برخی گونه‌های باکتری‌های بیماری‌زا نقش دارد. یکی از انگیزه‌های ما در این تحقیق، یافتن راه حلهایی برای غیرفعال‌سازی این باکتری‌ها از طریق محدود کردن حرکت آنها می بود. از این رو، فهمیدن مکانیسم‌های مولکولی حرکت فلاژلی، کلید دستیابی به این مقصد خواهد می بود.

علاوه بر این، فهمیدن کارکرد موتورهای فلاژلی می‌تواند تبدیل طراحی نوآورانه‌ ماشین‌های میکروسکوپی شود. وی می‌افزاید: موتورهای فلاژلی، نانوموتورهای زیستی با قطر تقریباً ۴۵ نانومتر و بازده تبدیل انرژی نزدیک به ۱۰۰ درصد می باشند. یافته‌های ما گامی بزرگ در جهت فهمیدن سازوکارهای تشکیل گشتاور در این موتورها محسوب می‌شود که برای مهندسی موتورهای نانومقیاس الزامی خواهد می بود.