快速水流触发嗜热细菌的长距离正向趋流性：IV型菌毛介导的表面迁移机制

研究人员针对嗜热细菌在流动环境中如何定位最适生态位这一科学问题，通过构建70℃微流控系统，首次发现嗜热栖热菌(Thermus thermophilus)能通过IV型菌毛(T4P)介导的趋流性实现毫米级上游迁移。该研究揭示了双ATP酶(PilT1/PilT2)调控的极性附着机制，证实了T4P不对称分布是趋流性的结构基础，并发现该特性在Thermaceae科杆状菌中高度保守。这项成果为理解极端环境下微生物的生存策略提供了新视角。

　　

在沸腾的温泉中，湍急的水流构成了一个极具挑战性的生存环境。传统观点认为，缺乏鞭毛的嗜热细菌只能被动随波逐流。然而，东京电机大学(The University of Electro-Communications)和东京药科大学生命科学学院(School of Life Sciences, Tokyo University of Pharmacy and Life Sciences)的联合研究团队发现，嗜热栖热菌(Thermus thermophilus)演化出了一套精妙的"逆流而上"机制，这项突破性成果发表在《The ISME Journal》。

研究人员通过构建温度可控的微流控系统，结合单细胞追踪、免疫荧光标记和数学模型等关键技术，首次捕捉到嗜热菌在模拟温泉环境(70℃)中的长距离迁移行为。研究团队观察了15株Deinococcota门细菌的运动特性，并重点分析了T4P突变体的力学特性。

^{趋流性现象的表征}

在40μm/s流速下，约50%的野生型T. thermophilus HB8细胞表现出正向趋流性，其上游迁移速度达17.1±11.0μm/min，比铜绿假单胞菌快10-100倍。垂直取向的细胞通过单极附着实现稳定上游运动，而水平细胞则随流而下。有趣的是，营养条件会调控这一行为——在富营养条件下，细胞会迅速转变为水平取向并丧失趋流性。

^{T4P机械的核心作用}

通过构建△pilA、△pilT1、△pilT2等突变体，研究证实T4P是趋流性的结构基础。免疫荧光显示野生型细胞的T4P呈上游优势分布(平均长度2.8±3.0μm)，而△pilT2突变体则呈现随机辐射状分布(4.5±4.4μm)。纳米珠追踪实验进一步揭示，野生型T4P的收缩速度(-3.04±0.81μm/s)显著快于△pilT2突变体(-1.27±0.41μm/s)。

^{双马达的协同调控}

研究发现PilT1是主要收缩马达，而PilT2通过降低附着强度(表观弹簧常数从3.6×10^-2降至5.9×10^-5 pN/nm)增强流动敏感性。数学模型模拟表明，双ATP酶系统通过"拔河"机制产生细胞体的周期性摆动，这种不稳定性正是流向感知的关键。

^{趋流性的进化保守性}

在15株测试菌种中，所有呈现趋流性的菌株均属于Thermaceae科且具有杆状形态，而球形的耐辐射奇球菌(Deinococcus)则完全丧失该能力。这种形态-功能的相关性暗示，杆状构型可能更利于剪切力感知。

这项研究首次揭示了极端环境下微生物趋流性的分子机制，阐明了T4P机械在流动环境适应中的核心作用。发现嗜热菌能通过调节表面附着强度来优化流向感知，这一策略为理解生物膜形成、病原体定植等过程提供了新思路。更深远的意义在于，该研究展示了物理刺激(如水流动)如何驱动微生物的空间分布，为探索极端环境生态系统提供了理论基础。未来研究可进一步解析PilT1/PilT2的协同调控网络，以及该机制在自然温泉生态系统中的生态学意义。