解構(gòu)一種不太為人所知的微生物的結(jié)構(gòu)元素

古生菌是一種單細(xì)胞微生物，最初是在熱液噴口等極端環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的，現(xiàn)在也可以在包括人類(lèi)在內(nèi)的動(dòng)物消化系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)，它們?cè)谀c道健康中起著關(guān)鍵作用。然而，人們對(duì)這些細(xì)胞的功能知之甚少，也不知道它們是如何形成與環(huán)境相匹配的獨(dú)特形狀的。

現(xiàn)在，賓夕法尼亞大學(xué)藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院的Mecky Pohlschr?der領(lǐng)導(dǎo)的研究揭示了決定古細(xì)菌形態(tài)的分子機(jī)制的關(guān)鍵見(jiàn)解。研究結(jié)果發(fā)表在《Nature Communications》雜志上。

“當(dāng)跨多個(gè)不同學(xué)科的合作研究最終取得重大發(fā)現(xiàn)時(shí)，這總是令人興奮的，但當(dāng)研究加深了我們對(duì)基本生物過(guò)程的理解時(shí)，它更令人滿(mǎn)意，”P(pán)ohlschr?der說(shuō)?！皩?duì)古細(xì)菌中決定細(xì)胞形狀的蛋白質(zhì)的表征也可能揭示古細(xì)菌中其他細(xì)胞過(guò)程的機(jī)制?！盤(pán)ohlschr?der指出，他們的發(fā)現(xiàn)也指出了更好地理解細(xì)菌和真核生物的這種機(jī)制，真核生物的細(xì)胞在膜內(nèi)含有細(xì)胞核。

從高中項(xiàng)目到尖端研究

主要作者Heather Schiller是Pohlschr?der實(shí)驗(yàn)室的一名前研究生，她講述了這一發(fā)現(xiàn)是如何始于一名高中生在實(shí)驗(yàn)室的暑期研究。Schiller說(shuō):“我們的夏季研究助理約書(shū)亞被賦予了一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，從一個(gè)隨機(jī)突變庫(kù)中抽取1000多個(gè)菌株，觀(guān)察它們的游泳能力。在這樣做的過(guò)程中，他發(fā)現(xiàn)了一對(duì)超級(jí)活躍的火山鹽藻突變體?！?/p>

Schiller解釋說(shuō)，這個(gè)過(guò)程涉及到使用瓊脂板，這種瓊脂板的稠度使細(xì)胞可以在上面游動(dòng)，產(chǎn)生可見(jiàn)的光暈。不會(huì)游泳的突變體不會(huì)形成這些光環(huán)，從而使它們能夠被識(shí)別。這位學(xué)生正在尋找表現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)能力改變的突變體，其中一些突變體的運(yùn)動(dòng)速度比平時(shí)快。

Schiller說(shuō):“在顯微鏡下仔細(xì)檢查后，發(fā)現(xiàn)這些快速移動(dòng)的突變體只形成棒狀，而不是圓盤(pán)狀。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)我們的最新研究至關(guān)重要，因?yàn)樗鼮檫M(jìn)一步研究與形狀形成有關(guān)的細(xì)胞成分提供了明確的方向，而不僅僅是鑒定出的突變蛋白?！?/p>

Pohlschr?der解釋說(shuō)，在火山鹽藻中，棒狀和圓盤(pán)狀的重要性不僅僅是形態(tài)學(xué)的問(wèn)題，而且與生物體的功能和對(duì)環(huán)境條件的適應(yīng)性有著復(fù)雜的聯(lián)系。桿狀體的形狀對(duì)于有效的游泳尤其重要，它使微生物能夠有效地在環(huán)境中導(dǎo)航。

最新的研究通過(guò)采用整合轉(zhuǎn)座子插入篩選、定量蛋白質(zhì)組學(xué)、反向遺傳學(xué)和先進(jìn)顯微鏡的整體和協(xié)作方法，更深入地研究了這些形狀轉(zhuǎn)變。

多管齊下的方法

對(duì)鎖定在特定細(xì)胞形狀中的突變株的識(shí)別，使研究人員的分析流水線(xiàn)進(jìn)入了下一步:比較定量蛋白質(zhì)組學(xué)，Pohlschr?der實(shí)驗(yàn)室前博士后研究員、現(xiàn)任羅切斯特理工學(xué)院助理教授的Stefan Schulze說(shuō)。這項(xiàng)技術(shù)基本上量化了不同條件下細(xì)胞中蛋白質(zhì)的豐度，使研究人員能夠在不同生長(zhǎng)階段將突變體與野生型細(xì)胞的蛋白質(zhì)譜進(jìn)行比較。這種比較有助于區(qū)分與細(xì)胞形狀相關(guān)的蛋白質(zhì)豐度變化與生長(zhǎng)階段相關(guān)的蛋白質(zhì)。

為了證實(shí)這些細(xì)胞形狀相關(guān)蛋白的重要性，Schiller使用了一種反向遺傳學(xué)方法，其中通過(guò)觀(guān)察其修飾或刪除的影響來(lái)發(fā)現(xiàn)感興趣基因的功能?！斑@種方法被用來(lái)研究蛋白質(zhì)組學(xué)實(shí)驗(yàn)中確定的特定蛋白質(zhì)的作用，如細(xì)胞形狀決定中的圓盤(pán)決定因子A和棒狀決定因子A，”Schulze說(shuō)。賓夕法尼亞大學(xué)佩雷爾曼醫(yī)學(xué)院的Daniel Safer在真核生物中對(duì)肌動(dòng)蛋白有著廣泛的研究背景，他在大約同一時(shí)間指出了一種潛在的肌動(dòng)蛋白同源物，但與其他參與棒狀形成的肌動(dòng)蛋白不同，它在圓盤(pán)中含量更高。

雖然蛋白質(zhì)組學(xué)和反向遺傳學(xué)可以確定哪些蛋白質(zhì)對(duì)改變細(xì)胞形狀至關(guān)重要，但需要先進(jìn)的顯微鏡來(lái)可視化這些蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的行為。與布蘭代斯大學(xué)助理教授A(yíng)lexandre Bisson的合作，為這一謎題提供了最后一塊缺失的拼圖。Bisson實(shí)驗(yàn)室利用超分辨率顯微鏡和計(jì)算分析方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，對(duì)volactin等蛋白質(zhì)的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行了可視化和量化，研究人員發(fā)現(xiàn)volactin是一種肌動(dòng)蛋白同源物，在向圓盤(pán)狀細(xì)胞轉(zhuǎn)變的過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。

Pohlschr?der與Bisson實(shí)驗(yàn)室合作，以高分辨率創(chuàng)建細(xì)胞內(nèi)volactin聚合物的3D圖像。利用volactin與熒光蛋白GFP融合，研究人員能夠?qū)崟r(shí)跟蹤volactin動(dòng)態(tài)，顯示這些聚合物拉長(zhǎng)(聚合)和收縮(解聚)，這表明volactin聚合物可以動(dòng)態(tài)地“感知”細(xì)胞狀態(tài)，以協(xié)調(diào)細(xì)胞形狀。

Pohlschr?der說(shuō):“與許多真核細(xì)胞的功能不同，肌動(dòng)蛋白通常與維持細(xì)胞形狀和促進(jìn)運(yùn)動(dòng)有關(guān)，在我們的模型古菌中，這種肌動(dòng)蛋白同源物對(duì)于向盤(pán)狀細(xì)胞的過(guò)渡至關(guān)重要?！?/p>

展望未來(lái)

“這項(xiàng)研究真正強(qiáng)調(diào)了跨學(xué)科合作和專(zhuān)業(yè)知識(shí)在各個(gè)層面推進(jìn)科學(xué)的重要性，”P(pán)ohlschr?der說(shuō)?！癉aniel的投入，結(jié)合我們團(tuán)隊(duì)的綜合方法，以及斯特凡和亞歷克斯的重大貢獻(xiàn)，導(dǎo)致了對(duì)古細(xì)菌細(xì)胞形狀決定的分子機(jī)制，特別是火山噴發(fā)素的作用的重要見(jiàn)解?！?/p>

Pohlschr?der說(shuō)，下一步是進(jìn)一步研究這些研究中發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)的功能，她和她的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在感興趣的是找出古菌如何知道何時(shí)從棒狀轉(zhuǎn)變?yōu)閳A盤(pán)狀。她目前正在與化學(xué)系的研究人員合作，闡明啟動(dòng)細(xì)胞形狀轉(zhuǎn)變的信號(hào)分子。

來(lái)源：Nature Communications

亞氯酸鈉（Sodium hypochlorite，化學(xué)式：NaClO）是一種無(wú)色或淡黃色液體，常用作漂白劑和消毒劑。以下是亞氯酸鈉的一些化學(xué)性質(zhì)：

1. 氧化性：亞氯酸鈉是一種氧化性化合物，能夠與許多物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)。

2. 氯化性：亞氯酸鈉在水中能夠迅速分解，生成次氯酸（HClO）和氫氧化鈉（NaOH）。亞氯酸是一種比亞氯酸鈉更強(qiáng)的氧化劑。

3. 消毒性：亞氯酸鈉具有較強(qiáng)的殺菌消毒作用，可用消毒水源、池塘和水處理。

4. 漂白性：亞氯酸鈉可用作漂白劑，能夠?qū)⒃S多染料和有機(jī)物氧化漂白。

5. 不穩(wěn)定性：亞氯酸鈉在陽(yáng)光照射下會(huì)逐漸分解，所以需要存放在暗處，避免陽(yáng)光直射。

需要注意的是，亞氯酸鈉是一種腐蝕性較強(qiáng)的化學(xué)物質(zhì)，在處理和使用時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施。同時(shí)，避免與酸性物質(zhì)或易燃物質(zhì)接觸，以免引發(fā)危險(xiǎn)反應(yīng)。