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细菌自带弹簧匕首,从内部刺穿阿米巴虫

为了保卫自己,细菌配备了一把对抗阿米巴虫的小匕首。

来自苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)和维也纳大学(University of Vienna)的科研人员发现了一类细菌,其携带的微型匕首状结构可以防止自身被阿米巴虫(amoebae)吞噬。科学家也已经解析出了该微型“匕首”的三维结构,知道了这种匕首是如何做到快速穿刺的。

细菌不得不小心提防阿米巴虫。饥饿的阿米巴虫捕食细菌:它们使用伪足捕获细菌,然后吸收并消化它们。

有些细菌却知晓如何防卫这些敌人。维也纳大学的研究人员在几年前发现一类名为嗜阿米巴杆菌(Amoebophilus)的细菌,这种细菌不仅能在阿米巴虫体内生存,而且可茁壮成长:阿米巴虫已经成为它最喜爱的栖息地。

在维也纳科学家发现该细菌的同时,来自苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的科学家提出一种机制,他们猜想这对于 Amoebophilus 在阿米巴虫体内的生存至关重要。这种细菌拥有可将微型的匕首弹射装置,利用该匕首可以从内部刺穿阿米巴虫从而避免被其消化。

该弹射装置有一个鞘式外壳,一端通过一个基座和锚定平台附着在细菌内膜上。 苏黎世联邦理工学院 Martin Pilhofer 教授的博士生 João Medeiros 解释了此装置原理:“外壳是弹簧加压的,微型匕首就位于其中。当外壳收缩时,匕首会被弹射出去迅速穿过细菌质膜。”

左图是弹射装置顶端的电子射线断层照片;右图是综合几百张电子射线断层照片绘制成的三维模式图。(显微照片 / 可视化:苏黎世联邦理工学院 / Désirée Böck)

被阿米巴虫吞噬的细菌最终在一个由细胞膜包裹的特殊消化隔间内被吸收殆尽。“我们的研究结果显示,这种细菌能将匕首弹射进阿米巴虫消化隔间的隔膜”,Pilhofer 团队的博士生,同时也是发表于 Science 期刊的论文第一作者 Désirée Böck 说道。这会导致不适宜细菌生长的隔间分解并释放出菌体。一旦离开了消化隔间,即使仍在阿米巴虫体内,细菌也能存活甚至大量繁殖。

左图是阿米巴虫,细菌正在其消化隔间(吞噬体)内而有细菌已经摆脱出来。右图是一簇弹簧加压的匕首。

消化隔间的破坏过程尚不清楚,“可能膜的破裂只是由于机械原因”,Pilhofer 说道。然而,可以设想 Amoebophilus 的匕首上浸着类似某种箭毒——膜的降解酶。细菌的基因组内含有这种酶的模板,正像维也纳大学 Matthias Horn 教授和他的同事所展示的一样。

为了确定该匕首及其弹射装置的高分辨率三维结构,科学家们应用了只被世界上少数研究室(包括 Pilhofer 教授在内)使用过的全新方法。

很像古生物学家使用锤子和凿子从石头中将化石敲出来,Medeiros 使用的聚焦离子束就像“纳米凿子”一样在冷冻样品上工作。由于极高的精密度,他可以碾碎阿米巴虫和大部分细菌,凿出分子匕首及其弹射装置,以便最终获得三维电子射线断层照片。

生物学其他领域也发现过与微型匕首有关的系统:专门感染细菌(噬菌体)的病毒利用该系统将它们的基因组注射进微生物中。某些细菌甚至可以在生存环境中释放类似的微型装置来抵御微生物。

科学家首次展示了在自然环境中细胞内弹射装置完整的空间结构。他们还首次展示了底座和膜锚定结构的细节。“过去,细胞生物学家研究这种系统的功能,而结构生物学家则阐述独立组件的结构,”Pilhofer 说道。“利用冷冻聚焦离子束研磨和苏黎世联邦理工学院建立的电子冷冻射线断层技术,我们现在可以缩小细胞生物学和结构生物学之间的差距。”

微型匕首之前仅被发现为单个独立的装置。然而在 Amoebophilus 中,来自苏黎世和维也纳的科学家目前发现了该装置聚集成簇多至 30 个。“你可以把它们称之为多管式的枪,”Pilhofer 说道。

研究人员还通过基因组比对来研究 Amoebophilus 如何进化出这样的匕首。“相关基因与噬菌体注入系统非常相似,” Pilhofer 说道。“我们猜想基因来自现在噬菌体的祖先,在很久以前就将自身装进细菌基因组内了。”

基因组比对显示,微型匕首不仅存在于 Amoebophilus 中,在许多其他菌种中也有,像这样的最重要的细菌种群至少有九种。研究人员还未探究这些细菌是否也会使用匕首来避免被阿米巴虫消化,或者它们的匕首有完全不同的用途。他们已为将来的工作准备了很长时间。

科学家最终希望能使用冷冻聚焦离子束研磨的新方法来解析其他复杂分子系统的结构。“技术能够帮助处理细胞、传染病和结构生物学中的许多其他问题。我们已经与其他研究团队合作,提供我们的专业知识。” Medeiros 说道。

翻译 吴媛媛

校审 阿金

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