细菌用微匕首刺伤阿米巴虫

细菌必须注意变形虫。饥饿的变形虫捕杀它们：用伪足捕获它们然后吸收并消化它们。然而，一些细菌知道如何保护自己。其中之一是Amoebophilus，几年前由维也纳大学的研究人员发现。这种细菌不仅可以在变形虫内生存，而且还能茁壮成长：变形虫已经成为它最喜欢的栖息地。

苏黎世联邦理工学院的科学家们与维也纳的细菌发现者一起，现在发现了一种机制，他们认为这对阿米巴虫中阿米巴嗜血杆菌的存活至关重要。细菌具有射击微型匕首的装置。它可以使用匕首从内部刺穿变形虫，从而逃避消化。

逃离变形虫的肠道

射击机制包括通过底板和锚定平台连接到细菌内膜的护套。ETH的Martin Pilhofer教授的博士生JoãoMedeiros解释了这个机制：“鞘是弹簧加载的，匕首位于鞘内。当鞘收缩时，匕首通过细菌膜迅速向外射出“。

被变形虫吸收的细菌最终进入一个被膜包围的特殊消化隔室。“我们的研究结果表明，细菌能够将匕首射入变形虫的消化隔室膜中，”DiliréeBöck说道，他也是Pilhofer小组的博士生，也是发表在“科学”杂志上的研究的主要作者。这导致隔室的分解，这是细菌的不适宜环境和细菌的释放。一旦进入消化隔室但仍然在变形虫内，细菌可以存活甚至繁殖。

消化隔室被破坏的过程尚不清楚。“可能是膜的破裂仅仅是出于机械原因，”Pilhofer说。然而，可以想象的是，Amoebophilus细菌的匕首浸渍了一种箭毒 - 含有膜降解酶。正如维也纳大学教授马蒂亚斯霍恩及其同事所展示的那样，这些酶的蓝图包含在细菌的基因组中。

精确铣削

科学家们采用了一种全新的方法，仅用于全球少数研究实验室 - 包括皮尔霍夫的研究实验室 - 以高分辨率确定匕首的三维结构及其射击机制。Böck在零下180°C吸收细菌后冻结变形虫。

就像古生物学家使用锤子和凿子从石头中释放化石一样，Medeiros然后使用聚焦离子束作为“纳米凿子”来处理冷冻标本。凭借令人印象深刻的精确度，他能够磨掉变形虫和大部分细菌，挖掘分子匕首及其射击装置，以便最终产生三维电子断层图像。

整体结构的第一张图片

与微型匕首相关的系统也可以在生物学的其他地方找到：专门研究细菌感染的病毒(噬菌体)使用这种系统将其基因组注入微生物。一些细菌甚至可以将类似的微型装置释放到周围环境中以抵抗竞争性微生物。

科学家首次在自然环境中呈现了细胞内射击机制的完整空间结构。他们还首次展示了底板和膜锚的细节。“在过去，细胞生物学家研究了这些系统的功能，结构生物学家阐明了各个组件的结构，”Pilhofer说。“通过我们在苏黎世联邦理工学院建立的低温聚焦离子束铣削和电子低温断层扫描技术，我们现在可以缩小细胞生物学与结构生物学之间的差距。”

多管枪

以前只发现微型匕首作为单独的装置。然而，在Amoebophilus，来自苏黎世和维也纳的科学家现在发现了多达30个星团的装置。“你可以称它们为多管枪，”Pilhofer说。

研究人员还利用基因组比较来研究阿米巴嗜血杆菌如何进化其匕首。“相关基因与噬菌体注射系统非常相似，”Pilhofer说。“我们假设今天的噬菌体祖先的基因在很久以前就建立在细菌的基因组中。”

也存在于其他细菌中

基因组比较表明，微型匕首不仅存在于阿米巴嗜血杆菌中，而且还存在于来自至少9个最重要细菌群的许多其他细菌物种中。研究人员还没有调查这些细菌是否也使用他们的匕首，以避免变形虫的消化，或匕首是否服务于完全不同的目的。他们的工作将在未来很长一段时间内完成。

最后，科学家们希望使用新的低温聚焦离子束研磨方法来阐明其他复杂分子系统的结构。“这项技术可以帮助解决细胞，感染和结构生物学等许多其他问题。我们已经与其他研究小组合作并向他们提供我们的专业知识，”Medeiros说。