噬菌体沿细菌鞭毛迁移的流体动力学

噬菌体病毒是我们星球上最丰富的实体之一，缺乏独立运动的能力。相反，它们拥挤在流体环境中，期待与细菌随机相遇。一旦降落在受害者的细胞体上，它们便能够将遗传物质注入宿主细胞内。然而，许多噬菌体物种首先附着于细菌的鞭毛丝上。这些所谓嗜鞭毛噬菌体虽不能运动，仍设法到达细胞体以完成感染，而它们沿鞭毛丝移动的过程数十年来一直令科学界着迷。1973 年，Berg 和 Anderson (Nature, 245, 380) 提出了螺母-螺栓机制：类似于旋转的螺母能够沿螺栓移动，噬菌体自身缠绕在具有螺旋沟槽（由于鞭毛蛋白分子的螺旋排列）的鞭毛丝上，并利用鞭毛丝的旋转被动地沿其行进。该机制的主要证据之一是，拥有保留螺旋沟槽结构的直鞭毛丝的细菌物种（如大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌）突变体仍能被其相应噬菌体感染。利用两种不同方法处理噬菌体与鞭毛丝之间的短程相互作用，我们在此给出适用于拥有直鞭毛丝突变体的螺母-螺栓机制的第一性原理理论模型。我们的模型完全解析，能够预测噬菌体沿鞭毛丝易位的速度，该速度依赖于噬菌体和细菌的几何形状、鞭毛丝的旋转速率以及螺旋沟槽的旋向，并与过往实验观测一致。