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非洲昏睡病是一种由一种叫做布鲁氏锥虫的寄生微生物引起的严重感染。加州大学洛杉矶分校加利福尼亚纳米系统研究所的一个研究小组利用一种称为低温电子显微镜的成像技术和人工智能，绘制了这种微生物用来推动自身的毛发状鞭毛，识别出154种复合蛋白质。研究结果显示，这种寄生虫以一种独特的方式移动，类似于龙舟，具有独特的适应性，这对它感染宿主的能力至关重要。
全世界有数百万人受到非洲昏睡病、恰加斯病和其他威胁生命的感染的影响，这些感染是由采采蝇等昆虫携带的微小寄生虫引起的。
每种潜在的单细胞寄生虫——布鲁氏锥虫及其近亲——都有一根鞭毛，这是一种鞭子状的附属物，对移动、感染宿主和在不同环境中生存至关重要。
现在，加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所（CNSI）的一个研究小组应用了前沿的原子成像和人工智能驱动的建模技术，绘制了迄今为止最详细的布鲁氏锥虫鞭毛3D地图。布鲁氏锥虫会导致昏睡病。这项发表在《科学》杂志上的研究发现，鞭毛由154种不同的蛋白质组成，其中40种是寄生虫特有的。
通过捕捉在关键的过渡状态下驱动寄生虫运动的分子马达，研究人员开发了一种新的模型来解释它们是如何在血液和组织中游动的。这些发现揭示了布鲁氏锥虫的生存、向宿主传播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由它们引起的疾病的进展。
“我们的研究提供了鞭毛结构框架的完整分子蓝图，解释了它的运动是如何在原子水平上得到动力的，”共同通讯作者、加州大学洛杉矶分校学院微生物学、免疫学和分子遗传学教授、CNSI纳米系统电子成像中心（EICN）的创始主任Z. Hong Zhou说。“通过利用人工智能驱动的结构建模，我们发现了独特的寄生虫特异性蛋白质，这些蛋白质有助于鞭毛的结构和功能。”
研究中使用的成像技术是低温电子显微镜（cryogene -electron microscopy，简称cryoEM），用电子探测冷冻的生物样本，以揭示可见光无法捕捉的细节。冷冻电镜生成的图谱使用人工智能工具进行了进一步分析，比如根据构成蛋白质的氨基酸预测蛋白质形状的算法。
科学家们发现，这种微生物鞭毛中的微小马达状结构通过协调的方式产生运动，类似于龙舟上的划桨手同步划水的方式。
加州大学洛杉矶分校微生物学、免疫学和分子遗传学教授、CNSI成员Kent Hill说：“锥虫已经进化出了在采采蝇和人类血液中生存的特殊运动，这使得它们的鞭毛成为它们生物学的核心特征。”“通过了解它们独特的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。”
这部电影展示了布鲁氏锥虫鞭毛的基本结构单元的三维地图，标记了各种机械和运动蛋白。（图片来源：加州纳米系统研究所）
昏睡病最初表现为发烧、头痛、关节痛和瘙痒。寄生虫到达中枢神经系统后，这种疾病会发展成严重的神经系统症状。
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提供潜在的靶点，并为如何解决由其他相关微生物引起的疾病提供线索。
除了医学治疗之外，对一种未被充分研究的微生物的深入了解可能会产生影响，比如阐明进化早期阶段的细节，并激励那些从自然中汲取灵感进行设计的工程师。
该研究的第一作者夏宪是加州大学洛杉矶分校的前博士后研究员，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，他们都来自加州大学洛杉矶分校。
这项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，数据的收集和处理在EICN进行。
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