发现细菌使用类似鱼枪的注射系统

苏黎世联邦理工学院的生物学家在两种细菌中发现了类似鱼枪的分子注射系统，并首次描述了它们的结构。这种特殊的纳米机器被微生物用于细胞之间的相互作用，有一天可能会成为生物医学的有用工具。

许多细菌都有复杂的分子注射装置，用来做一些令人惊奇的事情。例如，一种细菌通过这种由蛋白质组成的纳米机器将某些分子接种到蠕虫幼虫中，从而触发幼虫转化为成虫。其他细菌使用这种分子武器杀死外来细菌或昆虫幼虫，或者抵御清道夫细胞。

苏黎世联邦理工学院分子生物学和生物物理学研究所教授Martin Pilhofer团队的研究人员专门研究这种分子注射机，他刚刚在《自然微生物学》杂志上描述了两种新的注射系统:一种是由蓝藻(也称为蓝绿藻)制成的，另一种是由海洋细菌Algoriphagus machipongonensis制成的。

新发现的所谓的收缩注入系统(CISs)与之前描述的设备有本质上的不同，并且有一些独特的功能。因此，它们还提供了关于不同注入系统类别之间的进化差异的信息。

这些CISs就像分子注射器一样工作。当纳米机器的外护套模块收缩时，一个内部隐藏的充满蛋白质的管子就会喷射出来。这些蛋白质要么被注射到环境中，要么直接进入目标细胞。

一个令人惊讶的细胞锚定

研究人员在蓝藻细菌中发现了一种新型CIS，它没有像预期的那样固定在细胞膜上或松散地漂浮在细胞内，而是附着在所谓的类囊体膜上，这些细菌在类囊体膜上进行光合作用。

“这对我们来说是最大的惊喜，”蓝藻注射系统研究的主要作者格雷戈尔·韦斯(Gregor Weiss)说。尽管这种不寻常的定位，锚定在类囊体膜上的CIS -被称为tCIS -实现了它们的目的。如果蓝藻受到压力，例如水中盐浓度过高或紫外线照射，外层细胞层就会脱落。这暴露了向外的tCIS，准备在与潜在靶细胞接触时发射。

分子鱼枪也出乎意料地普遍，根据Weiss的说法，这表明了蓝藻生命周期中的重要作用。他怀疑tCIS可能在这些多细胞蓝藻中单个细胞的程序性细胞死亡中发挥作用。

细胞外注射系统

另一方面，同样在Pilhofer团队工作的ETH研究人员Jingwei Xu和Charles Ericson发现并描述了一种由海洋细菌Algoriphagus machipongonensis产生的CIS，它根本不固定在细胞中，而是被释放到环境中，作用于该区域的靶细胞。

除此之外，研究人员使用冷冻电子显微镜以非常高的分辨率确定了这种特定亚型的喷射CIS (eCIS)的结构，这是以前没有其他工作组能够做到的。埃里克森说:“新发现的纳米机器为我们提供了收缩注射系统比以前想象的更普遍的线索。”

从分子到整个细菌

这些研究是特殊的，因为他们的跨学科和多样化的方法:从自然生态系统中收集的细菌到各自CIS的原子级模型。“这项工作很好地展示了如何使用不同的技术来了解这些系统和结构是如何工作的，”Weiss解释说。此外，该研究表明，为了了解注射系统在生命周期中的作用，有必要从实验室菌株转移到环境样本。

未来在生物医学上的应用

这两项研究有助于研究人员了解产生cis的生物如何影响它们的环境。此外，这些系统中的不同位点阐明了每个CIS是如何为特定目的而组织起来的:专门的毛发状受体允许目标细胞的靶向结合，这些分子sparguns的可变负载导致不同的细胞效应，不同的锚定机制允许CIS具有完全不同的作用模式。

考虑到这一点，可以想象，未来的研究人员将在生物医学中使用模块化结构，通过重新设计它，使分子鱼枪可以针对特定的细胞类型并发射药物或抗菌剂。

引用:魏斯GL，爱森斯坦F, Kieninger AK，等。多细胞蓝藻类囊体锚定的收缩注射系统的结构。Nat Microbiol．2022; 7(3): 386 - 396。doi:10.1038 / s41564 - 021 - 01055 - y

徐娟，Ericson CF，连玉文，等。海洋细菌Algoriphagus machipongonensis细胞外收缩注射系统的鉴定和结构。Nat Microbiol．2022; 7(3): 397 - 410。doi:10.1038 / s41564 - 022 - 01059 - 2

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