研究人员阐明了原核生物中超分子运动的动力学

IV型菌毛(T4P)是引人注目的超分子机器，可驱动原核生物中的抽搐运动，蛋白质分泌和DNA摄取。T4P菌毛作为抓钩，通过延伸，表面附着和回缩的循环引起细菌抽搐运动，使细胞通过沿着它自己拉动而在表面上移动。T4P作为马达的特性先前已经过生物物理技术的审查，但T4P激活动力学对各种环境信号的调节机制仍不清楚，主要是因为许多组件协调协调动力学，并且因为T4P非常薄(直径约8nm)因此难以观察。

在最近发表在“美国国家科学院院刊”上的一项研究中，东京学习院大学的生物物理学家Daisuke Nakane和Takayuki Nishizaka通过开发可视化T4P细丝的简单方法克服了这些困难，并利用光学显微镜揭示了调节机制。 T4P激活动力学。他们直接观察到Synechocystis sp中单细胞水平的T4P动态。PCC6803，一种蓝藻模型，通过响应蓝光的抽搐运动显示负趋光性。T4P可以从基本上球形的集胞藻细胞的身体的所有方向延伸，因此细胞可以沿着表面在任何方向上移动。

Nakane和Nishizaka设计了一种光学装置，使它们能够同时在玻璃基板上横向和纵向照射样品。首先，他们使用光学显微镜直接观察T4P活性，作为T4P捕获的聚苯乙烯珠粒在蓝光控制的固定化细胞表面上的分布和强度。珠子在蓝光垂直照射的细胞上均匀积累，但是当细胞仅在其右半部分用垂直光部分照射时，珠子仅在照射区域积聚。当用蓝光横向照射细胞时，珠子选择性地积聚在细胞的前侧(与光源相对)，表明那里的T4P活性升高。

然后，研究小组通过用与FITC结合的抗生物素蛋白标记细胞T4P并对固定化细胞进行显微镜检查，直接观察和量化T4P及其在细胞上的动态，并发现T4P的积累和延伸也在被照射的细胞的前侧被激活。横向蓝光。当他们使用缺乏PixD(一种蓝光感应蛋白)的突变体进行相同的实验时，突变体中T4P的分布更加均匀，这表明PixD通过一种抑制细胞的未知机制导致T4P的不对称分布。 T4P在光照侧的累积。

这些累积的观察结果表明，被照射的野生型细胞具有T4P的不对称分布，导致细胞远离定向蓝光，这种不对称分布由蓝光强度的局部差异触发，并且T4P延伸在光强度较高的区域激活。这些发现似乎是矛盾的，因为已知蓝光可以起到“驱避剂”的作用。然而，这可以通过先前报道的细胞的微光学效应来解释，即，当单个细胞暴露于准直光时，细胞将光会聚到与光源相对的一侧，因为细胞体用作透镜。

最后，抽搐运动和T4P动力学的定量细胞跟踪分析表明：(1)T4P细丝在蓝光照射后0.2分钟内在细胞上均匀延伸，引起细胞蠕动，(2)T4P均匀出现在细胞内。细胞表面的所有区域，引起细胞的随机抽搐运动，和(3)在暴露后一分钟内，T4P的激活沿光轴变得不对称以响应光敏蛋白PixD，导致定向细胞运动性。

作者指出，他们的实验方法可广泛应用于量化T4P的动态特性，这可能在其他细菌如淋病奈瑟氏球菌或铜绿假单胞菌中很常见，并且可能与archaella(古细菌中的鞭毛)的动态相关。这种新的实验系统和缺乏其他物种中的其他光受体或关键蛋白的突变体的组合将在不久的将来揭示更详细的机制。

总而言之，这些研究结果强调了蓝细菌中的光信号处理系统如何调节T4P动力学以在某个方向上导航细胞。这种导航机制与细菌的趋化性机制形成鲜明对比，细菌通过改变随机游泳和翻滚之间的间隔来起作用。