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世界上第一個細菌是怎麼形成的

生活 更新时间:2025-01-24 07:41:46

表面上看細菌似乎隻是種平平無奇的微生物,但實際上,在它内部還發生着許多我們看不見的事。

許多年來,科學家都認為細菌是沒有内部結構的。現在,有一組研究人員已經為我們描繪了在細菌内部異常神秘而豐富的結構和區室。近日他們在《細菌學雜志》[2]的報道中稱,沒有人知道這些結構的功能,但是對于細菌來說必定是重要的,因為它們必須花費許多的精力來構建它們。

世界上第一個細菌是怎麼形成的(神秘的細菌内部結構)1

△ 研究人員發現一些神秘的結構,例如這些位于細胞膜(青綠)和那不勒斯鹽疏杆狀菌細胞壁(紫)之間被稱為“囊泡”的泡狀區室。上:冷凍成像實圖;下:3D重建圖。(圖片來源:M.J. DOBRO)

另一組不同的科學家團隊在6月23日的《科學》[3]雜志上介紹了第一個在原子尺度呈現的完整的細菌微區室。微區室是細菌用來将某些化學反應與細胞的其餘部分分離的蛋白質殼。研究人員宣稱,了解細菌微區室是如何組成的能夠在生物技術和醫學的應用中起到重要作用

△ 細菌使用被稱為“微區室”的蛋白質殼,将重要的化學反應集中在一個地方發生。現在研究人員已經為一種叫蒼黃海無柄孢囊粘細菌(Haliangium Ochraceum)的海水細菌構建了一個完整的微區室的3D模型。由BMC-H蛋白(藍色)和BMC-T蛋白(綠色)組成的六邊形結構與由BMC-P蛋白(黃色)形成的五邊形結構組合以産生殼。它是除病毒以外,科學家在原子層分辨率下看到的最大的蛋白質結構。(圖片來源:MARKUS SUTTER, MSU/LBNL)

自20世紀50年代以來,生物學家已經認識到,光合藍細菌可以制造出稱為“羧化體”的微型區室,來為一種重要的光合酶提供居所。大約有20%的細菌具有制作類似微區室的基因,其中有些是不進行光合作用的細菌。許多這些微區室隻有當細菌遇到可以當做食物的某些分子時才出現,例如,一些緻病菌成微區室以幫助它們消化人體腸道内的粘液。

過去,許多研究人員緻力于将微區室用于藥物、工業化學品和生物燃料的制造,但遇到了許多困難,因為在這之前科學家并沒有完全了解區室結構的構成。他們知道的是蛋白質會組合在一起形成五邊形和六邊形的單位元,但并不知道這些亞單位元是如何聚集在一起形成多面球形的。合成生物學家Danielle Tullman-Ercek說:“這就像玩樂高積木,但不懂每一塊樂高是如何結合在一起的。”

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△ 一種名為董氏突柄杆菌(Prosthecobacter debontii)的淡水細菌,其表面附有形似埃菲爾鐵塔的附屬物。左邊顯示的為冷凍成像圖,右邊為3D模型。大圖為側視圖,左右頂端的小圖為頂視圖。(圖片來源:M.J. DOBRO)

此外,醫學微生物學家Michael Prentice說:“單個單位元是彎曲的,一側的形狀像杯子向内凹陷,另一側則有一個凸起。但我們不清楚微區室的内側是由凹面還是凸面形成的。”

在《科學》發表的最新論文中,由結構生物學家Cheryl Kerfeld領導的研究團隊,結合了X射線晶體學和冷凍電鏡術(低溫電子顯微鏡)來檢查細菌微區室。他們發現,細菌微區室的外側是由杯狀凹面覆蓋,就像高爾夫球上的小凹洞一樣。

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△ 名為镎生絲單胞菌(Hyphomonas Neptunium)的海洋細菌通過生長的莖穿過螺旋纖維束。科學家認為這些火車軌道狀的束可能由超螺旋DNA組成。(圖片來源:M.J. DOBRO)

Kerfeld的研究團隊還發現,亞單位元的側面既可以以邊對邊的方式連接以形成平面,也能夠以一定角度結合起來,形成曲面。有一些六邊形亞單位會互相堆疊,使球體呈現不規則的外觀。Kerfield的小組仍在探索亞單位元的方向會如何影響區室的功能。

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△ 逗号形的霍亂弧菌(其中一些菌株會引起霍亂)有着長和網狀燈絲的結構。(圖片來源:M.J. DOBRO)

微區室并不是細菌内唯一的神秘結構,在過去十年間,結構細胞生物學家Grant Jensen和他的同事,用電子冷凍成像技術為88種細菌制造了超過15,000多幅圖像。該技術涉及到快速冷凍細胞,使得水分子來不及能形成晶體,細胞得以存活的形式保留,從而讓研究人員能看到它們内部真正的樣子。

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△ 一些細菌将膜彎曲成馬蹄形囊泡,例如土壤和水中存在的這種名為真氧産堿杆菌(Ralstonia eutropha)的細菌,有助于在生物修複過程中分解化學物質。(圖片來源:M.J. DOBRO)

Jensen的團隊發現了許多不同形态的結構,有的像艾菲爾鐵塔、有的像魚鈎、馬蹄鐵,鐵軌,燈絲和網格等等。存在于細菌細胞内或細胞膜與細菌細胞壁之間的許多不同區室也變得明顯起來。

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△ 新月柄杆菌(caulobacter crescentus )通常含有扁平囊泡(綠色),包裹着貯存顆粒(橙色)。(圖片來源:M.J. DOBRO)

Jensen說:“我們發現它們的速度比我們能夠識别它們的速度更快。”他們将這些圖片發表在《細菌學雜志》上,并說:“我們認為将它們展現給所有人觀看對科學進展來說是最好的。”他希望與其他研究人員一起研究這些圖像,從而更好的解開這些結構的奧秘。

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