全球数百万人受到非洲睡眠病、查加斯病和其他由昆虫（如采蝇）携带的微小寄生虫引起的致命感染的影响。每种单细胞寄生虫——例如布氏锥虫及其近亲——都有一根鞭毛，这是一种鞭状附属物，对于移动、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（California NanoSystems Institute, CNSI）的研究团队应用尖端的原子成像和AI驱动建模技术，创建了导致非洲睡眠病的布氏锥虫鞭毛的最详细的3D地图。这项发表在《科学》杂志上的研究识别出构成鞭毛的154种不同蛋白质，其中包括40种特有于该寄生虫的蛋白质。
通过捕捉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、传播到宿主以及疾病过程中的一个关键机制。这种对寄生虫鞭毛的详细观察可能有助于推动治疗这些疾病的进展。
“我们的研究提供了鞭毛结构框架的完整分子蓝图，解释了其运动在原子水平上是如何被驱动的。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。”共同通讯作者、加州大学洛杉矶分校微生物学、免疫学和分子遗传学教授兼CNSI电子成像中心创始主任Z. Hong Zhou说。
该研究中使用的成像技术是冷冻电镜（cryoEM），在这种技术中，生物样本被冷冻并用电子探针进行探测，以揭示无法用可见光捕捉的细节。通过冷冻电镜生成的地图进一步使用了人工智能工具进行分析，例如基于组成蛋白质的氨基酸预测蛋白质形状的算法。
科学家们发现，微生物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来在水中前进。
“锥虫已经进化出专门的运动方式，以在采蝇和人类血液中生存，使其鞭毛成为其生物学的一个核心特征。”共同通讯作者、加州大学洛杉矶分校微生物学、免疫学和分子遗传学教授及CNSI成员Kent Hill说。“通过了解其独特结构特征如何促进运动，我们可以深入了解寄生虫适应和宿主相互作用的基本方面。”
非洲睡眠病最初表现为发热、头痛、关节痛和瘙痒。当寄生虫到达中枢神经系统后，疾病可能会进展为严重的神经症状。
这项研究可能为有效消除寄生虫或阻止其传播给人类的疗法提供潜在靶点，并为应对其他相关微生物引起的疾病提供线索。
除了医学治疗外，对这种鲜为人知的微生物的见解还可能带来其他影响，例如阐明早期进化阶段的细节，并启发从自然界中借鉴设计灵感的工程师。
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