本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
引起梅毒和萊姆病的細菌有一個非凡的共同點：儘管它們的尾部位於體內，但它們設法在環境中推進自身。
對於細菌來說，它們的形狀和活動也異常。在這段影片中，你可以看到引起萊姆病的細菌像活著的、蠕動的卡瓦塔皮螺旋麵一樣移動。
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梅毒和萊姆病——它們共同擁有我最喜歡的兩個拉丁文名稱——梅毒螺旋體和伯氏疏螺旋體——屬於一組稱為螺旋體的細菌，它們看起來像波浪線，移動起來像開瓶器。螺旋體不僅僅給人類和其他動物帶來痛苦。它們中的許多在河流、池塘、湖泊和海洋中都能很好地生存。這是從舊金山灣的鹽沼中捕獲的一個螺旋體。
今天，我們知道只有一部分螺旋體實際上是像開瓶器一樣的螺旋形，而另一些螺旋體，如梅毒螺旋體和伯氏疏螺旋體，則是像正弦和餘弦一樣的扁平波。在這段慢動作影片中，被束縛的伯氏疏螺旋體（科學家們不知何故將其固定住）展示了細菌輪廓在轉動時如何短暫地變平。影片的第一部分是即時播放。第二部分放慢了動作。特別仔細地觀看第三次旋轉。
那麼，這些看起來如此活躍的細菌是如何在尾部牢固地（且看似無用地）植入體內的情況下進行雜技運動的呢？
無論形狀如何，所有螺旋體都擁有與其他細菌相同型別的尾部，或稱鞭毛：一個長的螺旋，透過一個 L 形聯結器（稱為鉤）連線到一個嵌入細胞膜中的馬達。在大多數細菌中，這些尾部從宿主的背部突出到環境中。它們是剛性的並且會旋轉，由底部的馬達驅動。這些鞭毛的功能很像一種稱為“Screwpull”的開瓶器——它們的旋轉產生推力。在開瓶器的情況下，扭矩用於從瓶子中拔出軟木塞。
在細菌的情況下，扭矩向前推動或向後拉動細菌，就像潛艇或輪船上的螺旋槳。
螺旋體的許多尾部——它們通常有幾個——嵌入在生物體每一端附近的行中，並盤繞在身體周圍，終止於靠近中間的某個位置。去除鞭毛後，這些細菌會恢復成直杆狀，因此剛性尾部必須像骨架一樣，將細菌彎曲成其特徵形狀。在這張扁平波螺旋體的示意圖中，紫色的鞭毛聚集在一起形成帶狀條帶
這些條帶在伯氏疏螺旋體的中段以某種方式重疊。目前尚不清楚這兩個條帶是否形成連續的帶狀，還是條帶終止於細胞的相對兩側。整個束都被包裹在一個保護性外膜內（上圖已省略外膜）。它緊緊地貼合在螺旋體周圍——非常緊，事實上，在高倍放大倍數下，可以看到外膜在鞭毛透過下方時會鼓起，有點像細菌的緊身牛仔褲。
那麼，所有這些機械裝置是如何推動螺旋體前進的呢？當兩個鞭毛帶朝相反的方向旋轉時（一端順時針旋轉，另一端逆時針旋轉），螺旋體沿直線移動。由於它們附著在相對的兩端，因此它們必須朝相反的方向旋轉，才能使波沿著細胞的長度向同一方向傳播。實際上，它們將整個身體變成了一個巨大的鞭毛。在這張說明其工作原理的圖中，螺旋體像海蛇一樣滑行。
當鞭毛朝同一方向旋轉時（即都順時針或都逆時針），螺旋體會不規則地彎曲或彎折，正如您在這篇博文的第一部影片中看到的那樣。
在細胞體和外膜之間的空間中存在流體——可能像變速箱油或剎車油——鞭毛帶就位於其中，這種流體對於運動至關重要。它充當潤滑劑和作用在細胞外部的力量的傳遞者，沒有它，鞭毛就會纏結。來自細胞外部的粘稠流體或屏障對外膜的阻力透過外膜和這種流體傳遞到內部鞭毛，內部鞭毛的減速又傳遞到它們的馬達，馬達會因此而減速。透過這種方式，螺旋體的內部推進系統可以感知並響應外部世界。
當細菌遊動的流體的粘度或稠度增加時，伯氏疏螺旋體會減速。這是您所期望的。但是，當科學家新增增加細菌環境的粘度和彈性的化學物質時，伯氏疏螺旋體實際上加速了。當您意識到我們的肉體在很大程度上是由膠原纖維網組成的，它以彈性和粘性力響應細菌時，這種違反直覺的結果就更有意義了。伯氏疏螺旋體甚至能夠擠過孔隙明顯小於自身身體的明膠。
總之，這些結果表明，這些細菌作為病原體的成功可能歸因於它們能夠以外部鞭毛細菌無法做到的方式蠕動進入我們身體的狹窄部位。在我們體內，它們幾乎可以隨意移動到任何地方。
最近，亞利桑那大學和康涅狄格大學的科學家想更多地瞭解伯氏疏螺旋體馬達的動力學，以及萊姆病細菌是否可以作為梅毒螺旋體的良好模型。生物學家從未能在人體外培養梅毒，這極大地阻礙了我們對其進行研究的能力。根據他們於 11 月在《生物物理學雜誌》上發表的關於這些細菌運動和物理模型的文章，他們認為伯氏疏螺旋體是研究梅毒螺旋體運動的相當不錯的替代品，唯一的例外是伯氏疏螺旋體可以在更稠密、更粘稠的流體中游動。這可能是因為它比梅毒螺旋體有更多的鞭毛，因此，馬力更強。
在這段影片中，您可以親自比較這兩種細菌的運動
這些細菌的卓越工程設計可能是螺旋體成為人類和其他動物如此成功的病原體的主要原因。梅毒和萊姆病比幾乎任何其他生物體都更能穿透我們的身體。螺旋體可以穿過幾乎所有其他物質都無法穿透的屏障，包括基底膜和腸道等器官的內膜（稱為內皮），這些內膜的作用是將您腸道中無數的細菌隔離在身體的其他部位之外。在人類中，梅毒和萊姆病細菌很容易穿透通常神聖不可侵犯的血腦屏障，從而感染中樞神經系統。梅毒可以侵入胎盤並感染未出生的孩子。
這種非凡的能力反映在這些殘酷疾病的症狀中。萊姆病特有的靶心皮疹似乎是其穿透能力的結果，因為螺旋體鑽入新宿主的皮膚和軟組織，並引發從叮咬處輻射出來的破壞性炎症反應。萊姆病和梅毒患者——後者在人類歷史上的偉人和小人物中都為數眾多，包括今天的許多人——可能會因同樣的破壞性炎症而遭受多個器官、關節以及大腦和神經系統的損害。在梅毒中，螺旋體似乎在這方面非常出色且速度很快，在不到 48 小時內就能進入實驗動物的血液、淋巴結、骨髓、脾臟和睪丸。對於一種只有十幾微米長的生物體來說，它必須穿透無數層進化出來用於阻止它們進入的堅韌膜，並且沒有明顯的推進手段——事實上，它只能透過全身投入到美麗但致命的扭動中來移動——從蜱蟲到睪丸只需兩天，這已經很不錯了。
參考文獻
Harman M., Vig D., Radolf J. & Wolgemuth C. (2013). Viscous Dynamics of Lyme Disease and Syphilis Spirochetes Reveal Flagellar Torque and Drag, Biophysical Journal, 105 (10) 2273-2280. DOI: 10.1016/j.bpj.2013.10.004
Charon N.W., Cockburn A., Li C., Liu J., Miller K.A., Miller M.R., Motaleb M.A. & Wolgemuth C.W. (2012). The Unique Paradigm of Spirochete Motility and Chemotaxis, Annual Review of Microbiology, 66 (1) 349-370. DOI: 10.1146/annurev-micro-092611-150145