数以百万计的人受到非洲锥虫病、查加斯病和其他由昆虫如采蝇传播的致命感染的影响。这些微小的单细胞寄生虫——包括布氏锥虫及其近亲——都具有一根鞭毛，这是一种鞭状附属物，对于它们的移动、感染宿主和在不同环境中生存至关重要。
现在，加州纳米系统研究所（CNSI）的一个研究团队应用了前沿的原子成像和AI驱动的建模技术，创建了导致非洲锥虫病的布氏锥虫鞭毛的最详细的3D地图。这项发表在《科学》杂志上的研究确定了鞭毛中的154种不同蛋白质，其中40种是该寄生虫特有的。
通过捕捉到寄生虫在关键过渡状态下的分子马达，研究人员开发了一种新的模型，解释了它们如何在血液和组织中游动。这些发现揭示了布氏锥虫生存、传播给宿主和疾病过程的关键机制。这种对寄生虫鞭毛的详细观察可能有助于推动治疗其引起的疾病的进展。
“我们的研究提供了鞭毛结构框架的完整分子蓝图，解释了其运动是如何在原子水平上驱动的，”共同通讯作者、UCLA微生物学、免疫学和分子遗传学教授Z. Hong Zhou说。“通过利用AI驱动的结构建模，我们发现了对鞭毛结构和功能有贡献的独特寄生虫特异性蛋白质。”
如何使用冷冻电镜绘制寄生虫
本研究中使用的成像技术是冷冻电子显微镜（cryoEM），在这种技术中，生物样本被冷冻并用电子探测，以揭示可见光无法捕捉的细节。使用冷冻电镜生成的地图进一步分析时，还使用了人工智能工具，例如基于氨基酸组成预测蛋白质形状的算法。
科学家们发现，寄生虫鞭毛中的微小马达样结构通过协调一致的方式产生运动，类似于龙舟上的划手同步划桨以在水中前进。
“锥虫已经进化出专门的运动方式，以便在采蝇和人类血液中生存，使鞭毛成为其生物学的核心特征，”共同通讯作者、UCLA微生物学、免疫学和分子遗传学教授Kent Hill说。“通过了解其独特结构特征如何贡献于运动，我们获得了关于寄生虫适应和宿主相互作用的基本方面的见解。”
这段视频展示了寄生虫布氏锥虫鞭毛基本结构单元的三维地图，标出了各种机械和马达蛋白。（图片来源：加州纳米系统研究所）
详细冷冻电镜视图的潜在未来影响
非洲锥虫病最初表现为发热、头痛、关节痛和瘙痒。当寄生虫到达中枢神经系统后，疾病可能会进展并引发严重的神经症状。
这项研究可能为有效消除寄生虫或阻止其传播给人类的治疗方法提供潜在靶点，同时也为解决其他相关微生物引起的疾病提供线索。
除了医学治疗外，对一种未充分研究的微生物的深入了解可能还有其他影响，例如阐明进化的早期阶段，并启发从自然界借鉴设计灵感的工程师。
该研究的第一作者是Xian Xia，他之前是UCLA的博士后研究员，最近晋升为项目科学家。其他合著者包括Michelle Shimogawa、Hui Wang、Samuel Liu、Angeline Wijono、Gerasimos Langousis、Ahmad Kassem和James Wohlschlegel，他们都是UCLA的成员。
该研究得到了美国国立卫生研究院和美国国家科学基金会的支持，数据收集和处理在EICN进行。
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