大腸桿菌鞭毛馬達力學輸出性質的研究

大腸桿菌鞭毛馬達力學輸出性質的研究雖然細菌是最古老的生命體之一,但是它與我們的生活是息息相關的,從現(xiàn)代醫(yī)學觀點來看細菌的致病性仍是我們?nèi)粘Ｉ钪挟a(chǎn)生疾病的重要來源之一。隨著現(xiàn)代醫(yī)學的發(fā)展,抗生素的問世解決了大部分由于細菌引起的疾病,但是仍發(fā)現(xiàn)有些超級細菌頑固地存在于含有抗生素的環(huán)境中,這又給我們帶來了新的難題。雖然現(xiàn)在對于細菌致病的過程有了一定程度上的研究,但是關于細菌具體的致病機制仍然是亟需解決的問題。如果能夠闡述清楚細菌的致病機制,我們可以從本源上理解細菌的致病過程,這樣就可以開發(fā)新的藥物或者新的治療過程。由于細菌的運動行為與致病性是緊密聯(lián)系在一起的,這又讓我們重新回到了最原始的問題一細菌運動行為的機制究竟是如何?上個世紀越來越多的生物學家、物理學家嘗試通過實驗設計和理論建模來研究這個問題,取得一系列重要的進展。本文研究也隸屬研究細菌運動行為的行列之中,將從四個部分進行介紹。第一章緒論部分將對近幾十年關于大腸桿菌的系列研究進行介紹。具體介紹了大腸桿菌的細胞結構,個體的游動,趨化網(wǎng)絡的實驗研究和模型研究,鞭毛勾的柔韌性,鞭毛馬達運動的動力來源、馬達的步進行為、馬達部件MotB的動態(tài)交換方式、馬達的力矩-速度曲線,馬達上定子的力學敏感性及其可能來源,本文的研究內(nèi)容等等。第二章我們研究了馬達占空比的問題。近二十年來,關于馬達占空比的問題一直在實驗上和理論上爭論不斷,一直沒有直接的實驗證據(jù)證明這個問題。我們發(fā)展光鑷、激光暗場與明場成像結合技術,基于“beadaddition”觀念,從實驗上驗證在零負載下鞭毛馬達轉動速度與其上綁定的定子個數(shù)無關,進而證明馬達的占空比為1。對于馬達占空比的測量,可以排除現(xiàn)在理論上關于馬達的一些假定,讓馬達模型的物理圖像越來越明晰。而且我們提供了一種精確測量在零負載下鞭毛馬達上綁定定子個數(shù)的方法,這種方法解決了一直無法精確測定當較少數(shù)目的定子綁定在馬達上時的定子數(shù)目問題。在光學技術發(fā)展方面,我們實現(xiàn)了高時間分辨率下的納米金球的可視化并且同時可以運用光鑷技術,為以后研究光與納米金球相互作用提供了一種實驗上的可能性。第三章我們主要研究“馬達的質子輸運與馬達的旋轉是緊耦合還是松耦合”的問題。大腸桿菌鞭毛馬達在高負載的情況下被認為力矩輸出的效率達到最大,但是關于馬達在高負載下轉動一周需要消耗的質子數(shù)仍然沒有很準確的數(shù)值,因為目前不能精確測量出馬達在高負載下的力矩。但是根據(jù)力矩-速度曲線的走勢,可以近似認為馬達在高負載下轉動時的輸出力矩與馬達在被拉停時的輸出力矩(也就是靜止力矩)相等,所以第三章主要的目的是講述如何精確測定鞭毛馬達的靜止力矩。其中前一部分主要講述幾種鞭毛馬達靜止力矩的測定方法、單一用磁鑷來測定鞭毛馬達的靜止力矩以及關于這種方法測定過程中可能引入的不準確性,后一部分我們主要講述如何消除這種不準確性的方案,比如在磁鑷測量的基礎上引入光鑷或其它技術等等。嘗試用磁鑷去測量鞭毛馬達的靜止力矩,從實驗上去證明馬達的質子輸運與馬達的旋轉究竟是是緊耦合還是松耦合。第四章我們主要對以上的工作進行小結和結合這幾年自己的工作與前人的工作對接下來的工作進行展望。第一項工作主要測定了大腸桿菌馬達的占空比為1,解決了先前的爭端,明晰了馬達運動的物理圖像。第二項工作主要介紹了一種實驗上可能精確地測定大腸桿菌靜止力矩的方法,以及現(xiàn)在遇見的一些問題,和針對解決這些問題未來實驗上的改進。最后結合以上的工作和先前的工作,可以用我們新發(fā)展光鑷、激光暗場與明場成像結合技術對之前大腸桿菌運動行為并不太精確的測量進行重新測量,比如說在不同定子數(shù)目的力矩-速度曲線等等;同