學(xué)習(xí)大學(xué)的Takayuki Nishizaka教授和Yoshiaki Kinosita博士與AIST的Yoshitomo Kikuchi博士一起發(fā)現(xiàn)了一種無(wú)法預(yù)見(jiàn)的鞭毛介導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)形式，它由蟲蟲豆共生體顯示，它需要通過(guò)將鞭毛絲包裹在細(xì)胞體周圍來(lái)游泳。 。具有這種形式的鞭毛介導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)性的細(xì)菌能夠穿過(guò)玻璃表面，因此這種運(yùn)動(dòng)形式最有可能在細(xì)胞外基質(zhì)表面上有效。這是第一項(xiàng)揭示細(xì)菌在與豆蝽成為共生關(guān)系時(shí)所采用的特征性游泳運(yùn)動(dòng)的研究。希望這些發(fā)現(xiàn)將導(dǎo)致通過(guò)防止共生來(lái)控制害蟲的新方法。該研究的結(jié)果發(fā)表在ISME期刊上。

許多種類的游泳細(xì)菌都具有稱為鞭毛的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，其由20多種蛋白質(zhì)組成。通過(guò)旋轉(zhuǎn)其鞭毛絲的推進(jìn)使細(xì)菌在水中自由游動(dòng)。鞭毛介導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)是細(xì)菌在尋找棲息地時(shí)移動(dòng)的必要條件，迄今已知兩種形式：(i)在大腸桿菌等周生細(xì)菌中觀察到的“跑和翻滾”; (ii)在弧菌(Vibrio alginoliticus)中觀察到的“向前運(yùn)行 - 反向輕彈”。這種形式的鞭毛介導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)在水中移動(dòng)時(shí)被采用，但它們也被病原細(xì)菌用于到達(dá)宿主的內(nèi)部器官。因此，它們被廣泛認(rèn)為是毒力因子。

盡管細(xì)菌鞭毛介導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)與毒力密切相關(guān)，但它在動(dòng)物和細(xì)菌之間的幾種共生系統(tǒng)的功能中也具有重要作用。例如，短尾魷魚含有生物發(fā)光細(xì)菌物種費(fèi)里諾纖維(Aliivibrio fischeri)發(fā)光，在月光下擴(kuò)散它們的外觀以避開(kāi)掠食者。生物發(fā)光細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)對(duì)于這種共生關(guān)系起作用至關(guān)重要。另一個(gè)例子是豆腐，被公認(rèn)為農(nóng)業(yè)害蟲，已知通過(guò)摻入伯克霍爾德氏菌屬的細(xì)菌獲得殺蟲劑抗性。細(xì)菌的鞭毛運(yùn)動(dòng)性對(duì)于這種形式的共生起著重要的作用。

在豆莢的腸道和它的共生器官之間有一個(gè)非常狹窄的狹窄通道，里面充滿了富含多糖的粘液。Kikuchi博士及其團(tuán)隊(duì)之前曾報(bào)道，只有具有運(yùn)動(dòng)能力的Burkholderia共生體才能通過(guò)這種收縮通道，而缺乏運(yùn)動(dòng)性的突變株菌則不能。有趣的是，以前的研究表明，運(yùn)動(dòng)的非共生體如大腸桿菌不能通過(guò)這個(gè)收縮的通道，因此無(wú)法到達(dá)共生器官。在短尾魷魚中也存在類似的收縮通道，并且已知只有生物發(fā)光細(xì)菌可以選擇性地通過(guò)它。然而，研究人員并不知道為什么只有共生體可以通過(guò)。在開(kāi)始目前的研究時(shí)，該團(tuán)隊(duì)假設(shè)“

在熒光顯微鏡下的包裹運(yùn)動(dòng)期間游泳細(xì)胞。比例尺，5μm。圖片來(lái)源：學(xué)習(xí)院大學(xué)Nishizaka Lab

為了驗(yàn)證假設(shè)，直接捕獲了Burkholderia共生體中的鞭毛介導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)性。因?yàn)楸廾z的直徑僅約為20納米(2毫米的第100,000個(gè))，以前只能通過(guò)電子顯微鏡觀察到。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用熒光染料處理細(xì)胞體時(shí)，可以在熒光顯微鏡下觀察鞭毛絲，解決了這個(gè)問(wèn)題。此外，通過(guò)使用被認(rèn)為是世界上最靈敏的相機(jī)類型的EMCCD相機(jī)，他們能夠以每秒400幀的速度捕捉鞭毛燈絲的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)這一觀察，我們發(fā)現(xiàn)Burkholderia共生體可以以每秒150轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)其鞭毛長(zhǎng)絲，以25米/秒的速度(約為其體長(zhǎng)的10倍)游動(dòng)。

在正常液體培養(yǎng)基中，只有伯克霍爾德氏菌共生體才能觀察到其他細(xì)菌如大腸桿菌所顯示的已知運(yùn)動(dòng)形式。研究小組成員Yoshiaki Kinosita博士創(chuàng)造了一個(gè)模擬甲基纖維素收縮通道粘性內(nèi)部狀況的環(huán)境。雖然在低粘度介質(zhì)中觀察到正常的運(yùn)動(dòng)形式，但他也能夠在這種條件下觀察鞭毛絲纏繞游泳。這種鞭毛包裹運(yùn)動(dòng)與任何已知形式的鞭毛介導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)都不匹配，可以描述為鞭毛介導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)的第三種形式。當(dāng)Burkholderia共生體以這種類似鉆頭的運(yùn)動(dòng)形式通過(guò)粘性液體移動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)效率大約減半，因此低于其他形式的運(yùn)動(dòng)性。

熒光顯微鏡下鞭毛多態(tài)變化的實(shí)時(shí)成像。將正常長(zhǎng)絲在0.9秒變?yōu)榫砬L(zhǎng)絲，隨后將長(zhǎng)絲纏繞在其細(xì)胞體周圍。比例尺，2μm。圖片來(lái)源：學(xué)習(xí)院大學(xué)Nishizaka Lab

為什么Burkholderia共生體顯示出效率低的獨(dú)特運(yùn)動(dòng)形式?當(dāng)研究人員將大腸桿菌(一種非共生體)置于相同的條件下時(shí)，它們獲得了有趣的結(jié)果。隨著時(shí)間的推移，大腸桿菌結(jié)合到玻璃表面，無(wú)法移動(dòng)。相反，沒(méi)有觀察到伯克霍爾德氏菌細(xì)胞被類似地固定。經(jīng)過(guò)仔細(xì)觀察，Burkholderia共生體以正常的運(yùn)動(dòng)形式移動(dòng)被捕獲，但能夠包裹它們的鞭毛并自行釋放，從而穿過(guò)玻璃表面。此外，通過(guò)使用全內(nèi)反射熒光顯微鏡，其允許在玻璃表面附近進(jìn)行高分辨率觀察，研究人員表明，當(dāng)發(fā)生類似滑動(dòng)的運(yùn)動(dòng)時(shí)，鞭毛絲與玻璃表面之間存在接觸?？紤]到玻璃表面是不均勻的，可以假設(shè)包裹在細(xì)胞體周圍的鞭毛細(xì)絲完全適合表面凹槽，旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生推進(jìn)力，從而允許在固體表面上有效運(yùn)動(dòng)。因此，這種第三種運(yùn)動(dòng)形式可被描述為在細(xì)胞外基質(zhì)表面上有效運(yùn)動(dòng)所必需的。

鞭毛包裹運(yùn)動(dòng)是Burkholderia共生體獨(dú)有的嗎?為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們研究了A. fischeri，一種短尾魷魚的共生體。像豆腐一樣，短尾魷魚有一種結(jié)合共生細(xì)菌的機(jī)制，只有運(yùn)動(dòng)的A. fischeri能夠到達(dá)共生器官。當(dāng)A. fischeri用熒光染料處理并以與Burkholderia 共生體相同的方式觀察時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)A. fischeri也通過(guò)將鞭毛絲包裹在身體周圍來(lái)游泳。這意味著在許多不同種類的共生細(xì)菌中采用新發(fā)現(xiàn)的第三種形式的鞭毛介導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)的可能性。

該研究表明，通過(guò)將鞭毛的旋轉(zhuǎn)方向從逆時(shí)針?lè)较蚍崔D(zhuǎn)為順時(shí)針?lè)较?，可以?shí)現(xiàn)從正常形式的運(yùn)動(dòng)到鞭毛絲纏繞運(yùn)動(dòng)的過(guò)渡。然而，旋轉(zhuǎn)方向的這種變化也可以在大腸桿菌和其他不顯示鞭毛包裹的細(xì)菌物種中看到。因此，轉(zhuǎn)向第三種運(yùn)動(dòng)形式不能僅通過(guò)旋轉(zhuǎn)方向的變化來(lái)解釋。在下一階段，研究人員將通過(guò)結(jié)構(gòu)分析觸發(fā)第三種形式的鞭毛運(yùn)動(dòng)和窮舉基因分析所需的蛋白質(zhì)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。此外，他們將分析宿主體內(nèi)鞭毛介導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)性，并觀察游泳/滑動(dòng)形式轉(zhuǎn)換是否發(fā)生在豆莢腸道區(qū)域內(nèi)。這項(xiàng)研究將顯示在狹窄通道內(nèi)移動(dòng)時(shí)，正常的運(yùn)動(dòng)形式或鞭毛包裹形式是否更有效?；谖覀兊难芯浚ㄟ^(guò)徹底揭示共生與細(xì)菌在基因水平上顯示的多種形式的運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，預(yù)計(jì)將開(kāi)發(fā)出防止共生體感染和定植的新型殺蟲劑。