單細胞生物物理實驗I(3/3)

此計畫主要目標為發展單細胞生物物理研究平台，來探究細菌鞭毛的定位與自我組裝機制。主要分為三大目標: 1.即時細菌鞭毛成長量測。2.發展單細菌細胞能量量測。3.細菌鞭毛定位與組裝機制。單細胞生物物理是一個新興的重要實驗領域，從單分子技術擴展到單一活體細胞上的即時量測。此領域興起的主要兩個原因:一是在細胞上有著大量基因表達差異性，造成細胞間的差異；二是許多細胞內的運轉機制，必須要到單一細胞尺度才能將其釐清。我們將用在細菌上發展的一系列能量狀態量測工具，來研究細菌鞭毛生長與組裝的精細過程。細菌鞭毛馬達是一個複雜的天然分子馬達，是一個45奈米寬，嵌在細菌細胞膜上的步進馬達。許多細菌利用它來轉動體外的鞭毛在液體中游動。細菌鞭毛是一個巨大的胞外結構，長度可達數微米，但是寬度只有20奈米的中空螺旋管。它是細菌鞭毛馬達的螺旋槳，由鞭毛馬達帶動，可以在低雷諾數環境以每秒數百轉旋轉。細菌鞭毛由鞭毛蛋白所堆疊而成，總共由數萬個蛋白有系統地由鞭毛基底送出，透過細菌鞭毛本身的中空管空間，送到鞭毛末端組裝。送出的過程需要ATP能量消耗與質子驅動勢，但是在管內卻不需要能量消耗。這是一個超精美的一維奈米自我組裝的機械，但是我們對其組成機制與動態過程卻瞭解甚少。為了能進一步了解細菌鞭毛的生成機制，我們計劃以下的研究。第一: 我們發展了即時螢光標定的方法來研究細菌鞭毛的成長，是目前已知首次即時觀測單一鞭毛成長的實驗。我們將利用這一個新的技術，探索細菌鞭毛生長的機制。首先將建利高通量超高解析全自動顯微鏡系統，可以對鞭毛的成長作即時的量測。再透過量測不同細菌鞭毛型態的突變種鞭毛成長速度曲線，或是利用光驅動蛋白來增加細胞膜電位，我們將一窺此一從未有人能探索的一維奈米管線。第二: 我們將發展四項單細胞的能量狀態量測，一是利用細菌鞭毛馬達轉速量測PMF總和，二是量測細胞內pH值，三是發展新的膜電位感應分子，與四是改良量測細胞內ATP濃度。第三: 溶藻弧菌是一個單邊單鞭毛的細菌的鞭毛生長有特定位置，細胞分裂時需要製造新的鞭毛。透過追蹤其鞭毛馬達組成蛋白與定位蛋白，我們將可以一窺這一個精準定位系統的原理。透過這三個研究，我們將可以瞭解細菌鞭毛生長機制，鞭毛生長能量消耗，與細菌鞭毛定位原理。我們可以利用這一些新知，拓展與發展在奈米世界製作裝置的能力。同時藉由了解鞭毛的性質，我們將可發展新微生物偵測技術。