共生细菌发现第三种鞭毛

学习大学的Takayuki Nishizaka教授和Yoshiaki Kinosita博士与AIST的Yoshitomo Kikuchi博士一起发现了一种无法预见的鞭毛介导的运动形式，它由虫虫豆共生体显示，它需要通过将鞭毛丝包裹在细胞体周围来游泳。 。具有这种形式的鞭毛介导的运动性的细菌能够穿过玻璃表面，因此这种运动形式最有可能在细胞外基质表面上有效。这是第一项揭示细菌在与豆蝽成为共生关系时所采用的特征性游泳运动的研究。希望这些发现将导致通过防止共生来控制害虫的新方法。该研究的结果发表在ISME期刊上。

许多种类的游泳细菌都具有称为鞭毛的旋转结构，其由20多种蛋白质组成。通过旋转其鞭毛丝的推进使细菌在水中自由游动。鞭毛介导的运动是细菌在寻找栖息地时移动的必要条件，迄今已知两种形式：(i)在大肠杆菌等周生细菌中观察到的“跑和翻滚”; (ii)在弧菌(Vibrio alginoliticus)中观察到的“向前运行 - 反向轻弹”。这种形式的鞭毛介导的运动在水中移动时被采用，但它们也被病原细菌用于到达宿主的内部器官。因此，它们被广泛认为是毒力因子。

尽管细菌鞭毛介导的运动与毒力密切相关，但它在动物和细菌之间的几种共生系统的功能中也具有重要作用。例如，短尾鱿鱼含有生物发光细菌物种费里诺纤维(Aliivibrio fischeri)发光，在月光下扩散它们的外观以避开掠食者。生物发光细菌的运动对于这种共生关系起作用至关重要。另一个例子是豆腐，被公认为农业害虫，已知通过掺入伯克霍尔德氏菌属的细菌获得杀虫剂抗性。细菌的鞭毛运动性对于这种形式的共生起着重要的作用。

在豆荚的肠道和它的共生器官之间有一个非常狭窄的狭窄通道，里面充满了富含多糖的粘液。Kikuchi博士及其团队之前曾报道，只有具有运动能力的Burkholderia共生体才能通过这种收缩通道，而缺乏运动性的突变株菌则不能。有趣的是，以前的研究表明，运动的非共生体如大肠杆菌不能通过这个收缩的通道，因此无法到达共生器官。在短尾鱿鱼中也存在类似的收缩通道，并且已知只有生物发光细菌可以选择性地通过它。然而，研究人员并不知道为什么只有共生体可以通过。在开始目前的研究时，该团队假设“

在荧光显微镜下的包裹运动期间游泳细胞。比例尺，5μm。图片来源：学习院大学Nishizaka Lab

为了验证假设，直接捕获了Burkholderia共生体中的鞭毛介导的运动性。因为鞭毛丝的直径仅约为20纳米(2毫米的第100,000个)，以前只能通过电子显微镜观察到。研究人员发现，当用荧光染料处理细胞体时，可以在荧光显微镜下观察鞭毛丝，解决了这个问题。此外，通过使用被认为是世界上最灵敏的相机类型的EMCCD相机，他们能够以每秒400帧的速度捕捉鞭毛灯丝的运动。根据这一观察，我们发现Burkholderia共生体可以以每秒150转的速度旋转其鞭毛长丝，以25米/秒的速度(约为其体长的10倍)游动。

在正常液体培养基中，只有伯克霍尔德氏菌共生体才能观察到其他细菌如大肠杆菌所显示的已知运动形式。研究小组成员Yoshiaki Kinosita博士创造了一个模拟甲基纤维素收缩通道粘性内部状况的环境。虽然在低粘度介质中观察到正常的运动形式，但他也能够在这种条件下观察鞭毛丝缠绕游泳。这种鞭毛包裹运动与任何已知形式的鞭毛介导的运动都不匹配，可以描述为鞭毛介导的运动的第三种形式。当Burkholderia共生体以这种类似钻头的运动形式通过粘性液体移动时，运动效率大约减半，因此低于其他形式的运动性。

荧光显微镜下鞭毛多态变化的实时成像。将正常长丝在0.9秒变为卷曲长丝，随后将长丝缠绕在其细胞体周围。比例尺，2μm。图片来源：学习院大学Nishizaka Lab

为什么Burkholderia共生体显示出效率低的独特运动形式?当研究人员将大肠杆菌(一种非共生体)置于相同的条件下时，它们获得了有趣的结果。随着时间的推移，大肠杆菌结合到玻璃表面，无法移动。相反，没有观察到伯克霍尔德氏菌细胞被类似地固定。经过仔细观察，Burkholderia共生体以正常的运动形式移动被捕获，但能够包裹它们的鞭毛并自行释放，从而穿过玻璃表面。此外，通过使用全内反射荧光显微镜，其允许在玻璃表面附近进行高分辨率观察，研究人员表明，当发生类似滑动的运动时，鞭毛丝与玻璃表面之间存在接触。考虑到玻璃表面是不均匀的，可以假设包裹在细胞体周围的鞭毛细丝完全适合表面凹槽，旋转并产生推进力，从而允许在固体表面上有效运动。因此，这种第三种运动形式可被描述为在细胞外基质表面上有效运动所必需的。

鞭毛包裹运动是Burkholderia共生体独有的吗?为了解决这个问题，我们研究了A. fischeri，一种短尾鱿鱼的共生体。像豆腐一样，短尾鱿鱼有一种结合共生细菌的机制，只有运动的A. fischeri能够到达共生器官。当A. fischeri用荧光染料处理并以与Burkholderia 共生体相同的方式观察时，研究人员发现A. fischeri也通过将鞭毛丝包裹在身体周围来游泳。这意味着在许多不同种类的共生细菌中采用新发现的第三种形式的鞭毛介导的运动的可能性。

该研究表明，通过将鞭毛的旋转方向从逆时针方向反转为顺时针方向，可以实现从正常形式的运动到鞭毛丝缠绕运动的过渡。然而，旋转方向的这种变化也可以在大肠杆菌和其他不显示鞭毛包裹的细菌物种中看到。因此，转向第三种运动形式不能仅通过旋转方向的变化来解释。在下一阶段，研究人员将通过结构分析触发第三种形式的鞭毛运动和穷举基因分析所需的蛋白质来解决这个问题。此外，他们将分析宿主体内鞭毛介导的运动性，并观察游泳/滑动形式转换是否发生在豆荚肠道区域内。这项研究将显示在狭窄通道内移动时，正常的运动形式或鞭毛包裹形式是否更有效。基于我们的研究，通过彻底揭示共生与细菌在基因水平上显示的多种形式的运动之间的关系，预计将开发出防止共生体感染和定植的新型杀虫剂。