细菌马达的近距离视图

细菌是地球上最丰富的生命形式，它们能够生活在从岩石表面到肠道内部的各种生境中。几千年来，这些适应性强的小生物已经发展出各种专门机制，使自己在特定环境中自我移动。在最近的两项加州理工学院研究中，研究人员使用最先进的成像技术首次捕获了细菌中这种微小复杂机器的三维视图。

“细菌被广泛认为是'简单' 细胞 ;然而，这种假设反映了我们的局限性，而不是他们的局限性，”加州理工学院生物物理学和生物学教授，霍华德休斯医学研究所(HHMI)研究员Grant Jensen说。 )。“在过去，我们根本没有技术可以揭示纳米机器的全部荣耀 - 包含十几种或更多独特蛋白质的许多拷贝的巨大复合物 - 它们具有复杂的功能。”

Jensen和他的同事使用了一种称为电子冷冻断层扫描术的技术来研究这些细胞运动的复杂性纳米机器。该技术使他们能够以大分子分辨率捕获完整细胞的三维图像 - 具体而言，分辨率范围为2至5纳米(相比之下，整个细胞的直径可达数千纳米)。首先，细胞瞬间冷冻，使水分子没有时间重新排列形成冰晶; 这会将细胞锁定到位而不会损坏它们的结构。然后，使用透射电子显微镜，研究人员从不同角度对细胞进行成像，产生一系列二维图像，如计算机断层扫描或CT扫描，可以数字重建成细胞的三维图像。结构。Jensen的实验室是全世界少数能够进行此类成像的实验室之一。在3月11日出版的“ 科学 ”杂志上发表的一篇论文中，加州理工学院的团队使用这种技术来分析细胞运动机械，该机械涉及一种叫做IVa菌毛机(T4PM)的结构。这种机制允许细菌穿过其环境，就像蜘蛛侠在摩天大楼之间旅行一样; T4PM组装一根长纤维(菌毛)，它附着在一个表面上，如抓钩，然后缩回，从而将细胞向前拉。

虽然这种运动方法被许多类型的细菌使用，包括几种人类病原体，但Jensen和他的团队使用电子冷冻断层扫描技术来观察完整的粘液球菌xanthus-一种土壤细菌中的细胞运动机制。研究人员发现，该结构由几个部分组成，包括细胞外膜上的孔，四个相互连接的环结构和一个茎状结构。通过系统地成像突变体，每个突变体缺少10个T4PM核心组分之一，并将这些突变体与正常的M. xanthus细胞进行比较，他们绘制了所有10个T4PM核心组分的位置，提供了对菌毛组装，结构和功能的见解。

“在这项研究中，我们揭示了这台机器的美丽复杂性，它可能是自然界中最强大的机器。机器让M. xanthus，一种捕食性细菌，穿过田地与其他M. xanthus形成'狼群'细胞，并一起寻找其他细菌捕食，“詹森说。

细菌在其环境中移动的另一种方式是使用鞭毛 - 一种从细胞向外延伸的长鞭状结构。鞭毛由细胞机器旋转，产生一种螺旋桨，通过基质驱动细菌。然而，与仅需要足够的螺旋桨动力通过水池的细胞相比，例如，必须穿过肠道粘稠粘液的细胞需要更强大的这些马达版本。

在3月14 日发表于美国国家科学院院刊(PNAS)在线早期版本的第二篇论文中，Jensen和他的同事们再次使用电子低温断层扫描技术来研究这些重型和轻型版本之间的差异。细菌螺旋桨。他们捕获的三维图像显示，几种不同种类细菌的不同螺旋桨功率水平可以通过这些微型马达的结构差异来解释。

为了使鞭毛充当螺旋桨，电池电机中的结构必须施加扭矩 - 使物体旋转到鞭毛所需的力。研究人员发现，大功率电机具有额外的扭矩产生蛋白质复合物，这些复合物位于距鞭毛相对较宽的半径处。这个额外的距离为旋转鞭毛提供了更大的杠杆作用，从而产生更大的扭矩。电池电动机的强度与电池中这些产生扭矩的复合物的数量直接相关。

“这两项研究建立了一种技术，用于解决原位或完整细胞内大分子复合物的完整结构，”Jensen说。“其他结构确定方法，如X射线晶体学，需要络合物出细胞被纯化，从而产生组件和可能的污染的损失。在另一方面，传统的2-d成像本身并不让你看到其中单个我们的电子低温断层扫描技术是一个很好的解决方案，因为它可以用来观察整个细胞，提供这些结构的结构和位置的完整图像。“

涉及IVa菌毛机械的工作发表在题为“IVa菌毛机的结构” 的科学论文中。

涉及鞭毛机械的工作发表在PNAS题为“多种高扭矩细菌鞭毛马达使用保守的蛋白质支架组装更宽的定子环”的论文中。