細(xì)菌必須注意變形蟲。饑餓的變形蟲捕殺它們：用偽足捕獲它們?nèi)缓笪詹⑾鼈?。然而，一些?xì)菌知道如何保護(hù)自己。其中之一是Amoebophilus，幾年前由維也納大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)。這種細(xì)菌不僅可以在變形蟲內(nèi)生存，而且還能茁壯成長：變形蟲已經(jīng)成為它最喜歡的棲息地。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的科學(xué)家們與維也納的細(xì)菌發(fā)現(xiàn)者一起，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)了一種機(jī)制，他們認(rèn)為這對阿米巴蟲中阿米巴嗜血桿菌的存活至關(guān)重要。細(xì)菌具有射擊微型匕首的裝置。它可以使用匕首從內(nèi)部刺穿變形蟲，從而逃避消化。

逃離變形蟲的腸道

射擊機(jī)制包括通過底板和錨定平臺連接到細(xì)菌內(nèi)膜的護(hù)套。ETH的Martin Pilhofer教授的博士生JoãoMedeiros解釋了這個機(jī)制：“鞘是彈簧加載的，匕首位于鞘內(nèi)。當(dāng)鞘收縮時，匕首通過細(xì)菌膜迅速向外射出“。

被變形蟲吸收的細(xì)菌最終進(jìn)入一個被膜包圍的特殊消化隔室。“我們的研究結(jié)果表明，細(xì)菌能夠?qū)⒇笆咨淙胱冃蜗x的消化隔室膜中，”DiliréeBöck說道，他也是Pilhofer小組的博士生，也是發(fā)表在“科學(xué)”雜志上的研究的主要作者。這導(dǎo)致隔室的分解，這是細(xì)菌的不適宜環(huán)境和細(xì)菌的釋放。一旦進(jìn)入消化隔室但仍然在變形蟲內(nèi)，細(xì)菌可以存活甚至繁殖。

消化隔室被破壞的過程尚不清楚。“可能是膜的破裂僅僅是出于機(jī)械原因，”Pilhofer說。然而，可以想象的是，Amoebophilus細(xì)菌的匕首浸漬了一種箭毒 - 含有膜降解酶。正如維也納大學(xué)教授馬蒂亞斯霍恩及其同事所展示的那樣，這些酶的藍(lán)圖包含在細(xì)菌的基因組中。

精確銑削

科學(xué)家們采用了一種全新的方法，僅用于全球少數(shù)研究實(shí)驗(yàn)室 - 包括皮爾霍夫的研究實(shí)驗(yàn)室 - 以高分辨率確定匕首的三維結(jié)構(gòu)及其射擊機(jī)制。Böck在零下180°C吸收細(xì)菌后凍結(jié)變形蟲。

就像古生物學(xué)家使用錘子和鑿子從石頭中釋放化石一樣，Medeiros然后使用聚焦離子束作為“納米鑿子”來處理冷凍標(biāo)本。憑借令人印象深刻的精確度，他能夠磨掉變形蟲和大部分細(xì)菌，挖掘分子匕首及其射擊裝置，以便最終產(chǎn)生三維電子斷層圖像。

整體結(jié)構(gòu)的第一張圖片

與微型匕首相關(guān)的系統(tǒng)也可以在生物學(xué)的其他地方找到：專門研究細(xì)菌感染的病毒(噬菌體)使用這種系統(tǒng)將其基因組注入微生物。一些細(xì)菌甚至可以將類似的微型裝置釋放到周圍環(huán)境中以抵抗競爭性微生物。

科學(xué)家首次在自然環(huán)境中呈現(xiàn)了細(xì)胞內(nèi)射擊機(jī)制的完整空間結(jié)構(gòu)。他們還首次展示了底板和膜錨的細(xì)節(jié)。“在過去，細(xì)胞生物學(xué)家研究了這些系統(tǒng)的功能，結(jié)構(gòu)生物學(xué)家闡明了各個組件的結(jié)構(gòu)，”Pilhofer說。“通過我們在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院建立的低溫聚焦離子束銑削和電子低溫斷層掃描技術(shù)，我們現(xiàn)在可以縮小細(xì)胞生物學(xué)與結(jié)構(gòu)生物學(xué)之間的差距。”

多管槍

以前只發(fā)現(xiàn)微型匕首作為單獨(dú)的裝置。然而，在Amoebophilus，來自蘇黎世和維也納的科學(xué)家現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)了多達(dá)30個星團(tuán)的裝置。“你可以稱它們?yōu)槎喙軜專?rdquo;Pilhofer說。

研究人員還利用基因組比較來研究阿米巴嗜血桿菌如何進(jìn)化其匕首。“相關(guān)基因與噬菌體注射系統(tǒng)非常相似，”Pilhofer說。“我們假設(shè)今天的噬菌體祖先的基因在很久以前就建立在細(xì)菌的基因組中。”

也存在于其他細(xì)菌中

基因組比較表明，微型匕首不僅存在于阿米巴嗜血桿菌中，而且還存在于來自至少9個最重要細(xì)菌群的許多其他細(xì)菌物種中。研究人員還沒有調(diào)查這些細(xì)菌是否也使用他們的匕首，以避免變形蟲的消化，或匕首是否服務(wù)于完全不同的目的。他們的工作將在未來很長一段時間內(nèi)完成。

最后，科學(xué)家們希望使用新的低溫聚焦離子束研磨方法來闡明其他復(fù)雜分子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。“這項技術(shù)可以幫助解決細(xì)胞，感染和結(jié)構(gòu)生物學(xué)等許多其他問題。我們已經(jīng)與其他研究小組合作并向他們提供我們的專業(yè)知識，”Medeiros說。