解构一种鲜为人知的微生物的结构元素

古细菌最初在热液喷口等极端环境中发现，是一种单细胞微生物，也可以在动物（包括人类）的消化系统中找到，它们在肠道健康中起着关键作用。然而，人们对这些细胞的功能知之甚少，也不知道它们如何形成它们所假设的不同形状以匹配它们的环境。

现在，由宾夕法尼亚大学艺术与科学学院的Mecky Pohlschröder领导的研究揭示了决定古细菌形态的分子机制的关键见解。研究结果发表在 《自然通讯》杂志上。

“当跨多个不同学科的合作研究最终取得重大发现时，这总是令人兴奋的，但当研究加深我们对基本生物学过程的理解时，这更加令人满意，”Pohlschröder说。“决定古细菌细胞形状的蛋白质的表征也可能揭示古细菌中其他细胞过程的机制。Pohlschröder指出，他们的研究结果也表明可以更好地理解细菌和真核生物中的这种机制，这些生物的细胞在膜内含有细胞核。

从高中项目到前沿研究

主要作者Heather Schiller是Pohlschröder实验室的前研究生，他讲述了这一发现是如何从一名高中生在实验室的暑期研究开始的。席勒说：“我们的暑期研究助理约书亚（Joshua）被赋予了一项艰巨的任务，即从随机突变库中抽取超过1000个菌株，以观察它们的游泳能力。“在这样做的过程中，他发现了几个超能动的 Haloferax volcanii 突变体。

席勒解释了使用琼脂平板的过程，该琼脂平板具有稠度，允许细胞游过其中，从而产生可见的光晕。不会游泳的突变体不会形成这些光环，从而能够识别它们。这名学生正在寻找表现出改变运动能力的突变体，其中一些突变体的移动速度比平时快。

“在显微镜下仔细检查后，发现这些快速移动的突变体只形成杆状，而不是圆盘，”席勒说。“这一发现对我们的最新研究至关重要，因为它为进一步研究参与形状形成的细胞成分提供了明确的方向，而不仅仅是已鉴定的突变蛋白。

Pohlschröder解释说，在 Haloferax volcanii 中，杆状和圆盘形状的重要性不仅仅是一个形态问题，而且与生物体的功能和对环境条件的适应性有着错综复杂的联系。鱼竿的形状对于有效的游泳尤为重要，使微生物能够有效地在环境中导航。

最新的研究通过采用整合转座子插入筛选、定量蛋白质组学、反向遗传学和先进显微镜的整体协作方法，更深入地研究了这些形状转变。

多管齐下的方法

锁定在特定细胞形状中的突变菌株的鉴定使研究人员分析管道的下一步成为可能：比较定量蛋白质组学，Pohlshröder实验室的前博士后研究员Stefan Schulze说，现在是罗切斯特理工学院的助理教授。该技术基本上量化了各种条件下细胞中蛋白质的丰度，使研究人员能够将突变体的蛋白质谱与不同生长阶段的野生型细胞的蛋白质谱进行比较。这种比较有助于辨别丰度变化与细胞形状特别相关的蛋白质与与生长期相关的蛋白质。

为了证实这些细胞形状相关蛋白的重要性，席勒使用了一种反向遗传学方法，其中通过观察其修饰或缺失的影响来发现目标基因的功能。“这种方法用于研究蛋白质组学实验中鉴定的特定蛋白质的作用，如细胞形状决定中的圆盘决定因子A和杆决定因子A，”Schulze说。它还包括一种蛋白质，宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的丹尼尔·萨菲尔（Daniel Safer）在真核生物中的肌动蛋白方面拥有广泛的背景，大约在同一时间指出这是一种潜在的肌动蛋白同源物，但与其他参与杆形成的肌动蛋白不同，它在圆盘中更丰富。

虽然蛋白质组学和反向遗传学可以确定哪些蛋白质对改变细胞形状至关重要，但需要先进的显微镜来可视化这些蛋白质在细胞内的行为。与布兰迪斯大学（Brandeis University）助理教授亚历山大·比森（Alexandre Bisson）的合作为这个谜题提供了最后一块缺失的拼图。Bisson实验室利用超分辨率显微镜和计算分析方面的专业知识来可视化和量化volactin等蛋白质的动态行为，volactin是一种肌动蛋白同源物，研究人员认为这种同源物在向盘状细胞的过渡中至关重要。

Pohlschröder与Bisson实验室合作，在细胞内以高分辨率创建挥乳素聚合物的3D图像。使用与荧光蛋白GFP融合的挥乳素，研究人员能够实时跟踪挥乳素动力学，显示这些聚合物伸长（聚合）和收缩（解聚），这表明挥乳素聚合物可以动态地“感知”细胞状态，以协调细胞形状。

“与它在许多真核细胞中的功能不同，肌动蛋白通常与维持细胞形状和促进运动有关，在我们的模型古细菌 Haloferax volcanii 中，这种肌动蛋白同源物对于向盘状细胞的过渡至关重要，”Pohlschröder说。

展望未来

“这项研究真正强调了跨学科合作和专业知识在各个层面推进科学的重要性，”Pohlschröder说。“丹尼尔的投入，加上我们团队的综合方法，以及Stefan和Alex的重大贡献，导致了对古细菌细胞形状确定的分子机制的如此值得注意的见解，特别是挥乳素的作用。

Pohlschröder说，除了进一步研究这些研究中发现的蛋白质的功能外，她和她的团队现在有兴趣找出古细菌如何知道何时从杆状细胞切换到圆盘。她目前正在与化学系的研究人员合作，阐明启动细胞形状转变的信号分子。

Mecky Pohlschröder是宾夕法尼亚大学艺术与科学学院生物系的教授。

希瑟·席勒（Heather Schiller）是宾夕法尼亚大学艺术与科学学院生物系的应届毕业生，目前是马里斯特学院的客座讲师。

Stefan Schulze是宾夕法尼亚大学艺术与科学学院Pohlschröder实验室的博士后研究员，目前是罗切斯特理工学院理学院的助理教授。

亚历山大·比森（Alexandre Bisson）是布兰迪斯大学生物系的助理教授。

其他作者是宾夕法尼亚大学艺术与科学学院的Yirui Hong，Joshua Kouassi和Anthony DiLucido;宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的丹尼尔·萨菲尔;乌尔姆大学的安妮塔·马奇费尔德（Anita Marchfelder）;以及马克斯·普朗克生物化学研究所的弗里德海姆·菲佛（Friedhelm Pfeiffer）。

该研究得到了美国国立卫生研究院（S10 高端仪器奖 1S10-OD028445-01A1 和 Grant T32 AI 141393）、美国国家科学基金会资助 （NSF-MBC2222076）、皮尤慈善信托基金和人类前沿科学计划基金 （RGY0074/2021） 的支持。