長久以來的謎團有了答案：休眠細菌是如何復活的

惰性的、沉睡的細菌--或稱孢子--可以在沒有營養(yǎng)物質(zhì)的情況下存活數(shù)年，甚至數(shù)百年，抵御熱量、紫外線輻射、抗生素和其他苛刻的化學物質(zhì)。孢子如何恢復生命一直是一個長達一個世紀的謎。新的研究確定了感應蛋白是如何使休眠細菌復活的。這一發(fā)現(xiàn)為對抗孢子對抗生素和消毒的抗性開辟了新的途徑，還可以為預防感染和食品腐敗的新策略提供參考。

炭疽桿菌的三維插圖，炭疽桿菌是導致炭疽的孢子形成的細菌。哈佛大學醫(yī)學院的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種細胞傳感器，它能使細菌孢子感知營養(yǎng)物質(zhì)并從休眠中蘇醒。這一發(fā)現(xiàn)可以幫助防止危險的休眠細菌引起爆發(fā)。

自從150多年前首次描述細菌孢子--惰性、沉睡的細菌--以來，哈佛大學醫(yī)學院的研究人員解決了一個困惑生物學家的謎題，他們發(fā)現(xiàn)了一種新的細胞傳感器，使孢子能夠檢測到其環(huán)境中存在的營養(yǎng)物質(zhì)并迅速恢復活力。

事實證明，這些傳感器是穿過膜的雙重通道，在休眠期間保持關(guān)閉，但當它們檢測到營養(yǎng)物質(zhì)時迅速打開。一旦打開，這些通道允許帶電離子通過細胞膜流出，啟動保護性孢子層的脫落，并在多年--甚至幾個世紀--的休眠期后開啟代謝過程。

該團隊的研究結(jié)果最近發(fā)表在《科學》雜志上，可以幫助設計出防止危險的細菌孢子休眠數(shù)月，甚至數(shù)年，然后再次蘇醒并導致感染爆發(fā)的方法。

"這項發(fā)現(xiàn)解決了一個超過一個世紀的難題，"研究的高級作者、HMS的Blavatnik研究所的微生物學教授David Rudner說。"當細菌的系統(tǒng)在保護殼內(nèi)幾乎完全關(guān)閉時，它們?nèi)绾胃兄h(huán)境的變化并采取行動打破休眠狀態(tài)？"

沉睡的細菌是如何復活的

為了在不利的環(huán)境條件下生存，一些細菌進入休眠狀態(tài)，成為孢子，生物過程被擱置，細胞周圍有多層保護性盔甲。

這些具有生物惰性的迷你堡壘使細菌能夠等待饑荒期，并保護自己免受極端高溫、干燥期、紫外線輻射、刺激性化學品和抗生素的蹂躪。

一個多世紀以來，科學家們已經(jīng)知道，當孢子檢測到它們環(huán)境中的營養(yǎng)物質(zhì)時，它們會迅速脫去它們的保護層，重新點燃它們的代謝引擎。盡管使它們能夠檢測到營養(yǎng)物質(zhì)的傳感器在近50年前就被發(fā)現(xiàn)了，但傳遞喚醒信號的方式以及該信號如何觸發(fā)細菌的復活過程仍然是一個謎。

在大多數(shù)情況下，信號傳遞依賴于新陳代謝活動，并且經(jīng)常涉及編碼蛋白質(zhì)的基因，以制造特定的信號分子。然而，這些過程在休眠細菌內(nèi)部都是關(guān)閉的，這就提出了信號如何誘使沉睡的細菌醒來的問題。

在這項研究中，魯?shù)录{和團隊發(fā)現(xiàn)，營養(yǎng)物質(zhì)傳感器本身組裝成一個導管，使細胞重新開放。在對營養(yǎng)物質(zhì)作出反應時，該管道（一個膜通道）打開，允許離子從孢子內(nèi)部流出。這啟動了一連串的反應，使休眠的細胞脫去保護性的盔甲，恢復生長。

科學家們利用多種途徑來追蹤這個謎團的曲折性。他們部署了人工智能工具來預測復雜折疊的傳感器復合物的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由同一傳感器蛋白的五個副本組成。他們應用機器學習來確定構(gòu)成通道的亞單位之間的相互作用。他們還使用基因編輯技術(shù)來誘導細菌產(chǎn)生突變體傳感器，以此來測試基于計算機的預測在活細胞中是如何發(fā)揮的。

魯?shù)录{將這一案例中的發(fā)現(xiàn)過程描述為一系列混亂的觀察，由于具有不同觀點的研究團隊協(xié)同工作，這些觀察慢慢成形。

在這一過程中，他們不斷有令人驚訝的觀察結(jié)果，使他們感到困惑，暗示了一些看起來不可能是真的答案。

將線索拼接起來

當魯?shù)录{實驗室的HMS研究員高永強在用微生物枯草芽孢桿菌進行一系列實驗時，出現(xiàn)了一條早期線索。Gao將其他形成孢子的細菌的基因引入枯草桿菌，以探索產(chǎn)生的不匹配的蛋白質(zhì)會干擾發(fā)芽的想法。令他驚訝的是，Gao發(fā)現(xiàn)在某些情況下，細菌孢子在使用一套來自遠緣細菌的蛋白質(zhì)后能完美地蘇醒。

在進行這項研究時，該實驗室的博士后Lior Artzi為高曉松的發(fā)現(xiàn)提出了一個解釋。如果傳感器是一種受體，在檢測到信號（在這種情況下是一種營養(yǎng)物質(zhì)，如糖或氨基酸）之前，它的作用就像一個封閉的閘門，那會怎么樣？一旦傳感器與營養(yǎng)物質(zhì)結(jié)合，大門就會彈開，允許離子從孢子中流出來。

換句話說，來自遠緣細菌的蛋白質(zhì)將不需要與不匹配的枯草桿菌孢子蛋白相互作用，而只是在離子開始流動時對孢子的電狀態(tài)變化作出反應。

魯?shù)录{最初對這一假設持懷疑態(tài)度，因為該受體并不符合特征。它幾乎沒有離子通道的特征。但阿特茲認為，該傳感器可能是由多個亞單位的副本組成的，在一個更復雜的結(jié)構(gòu)中共同工作。

AlphaFold的幫助下帶來的發(fā)現(xiàn)

另一位博士后杰里米-阿蒙是AlphaFold的早期使用者，AlphaFold是一種可以預測蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)復合物結(jié)構(gòu)的人工智能工具，他也在研究孢子發(fā)芽，并準備調(diào)查營養(yǎng)傳感器。

該工具預測，一個特定的受體亞單位組裝成一個五單元的環(huán)，稱為五聚體。預測的結(jié)構(gòu)包括中間的一個通道，可以讓離子通過孢子的膜。人工智能工具的預測與Artzi的猜測不謀而合。

高曉松、阿齊和阿蒙隨后合作測試了人工智能生成的模型。他們與第三位博士后Fernando Ramírez-Guadiana和HMS生物化學和分子藥理學教授Andrew Kruse以及HMS系統(tǒng)生物學副教授、計算生物學家Deborah Marks的小組密切合作。

他們用改變的受體亞單位設計了孢子，預測其會拓寬膜通道，并發(fā)現(xiàn)孢子在沒有營養(yǎng)信號的情況下會蘇醒。反過來，他們產(chǎn)生了突變的亞單位，他們預測這些亞單位會縮小通道的孔徑。這些孢子未能打開釋放離子的閘門，并且在有充足的營養(yǎng)物質(zhì)哄騙它們脫離休眠的情況下從靜止狀態(tài)蘇醒。

換句話說，與預測的折疊復合物的配置稍有偏差，就會使門卡住或關(guān)閉，使其作為喚醒休眠細菌的工具變得毫無用處。

對人類健康和食品安全的影響

魯?shù)录{說，了解休眠細菌如何恢復生命不僅僅是一個智力上的誘人難題，而且對人類健康也有重要影響。一些能夠長時間進入深度休眠狀態(tài)的細菌是危險的，甚至是致命的病原體： 白色粉末狀的武器化炭疽病是由細菌孢子組成的。

另一種危險的孢子形成的病原體是艱難梭狀芽孢桿菌，它引起危及生命的腹瀉和結(jié)腸炎。艱難梭菌的疾病通常發(fā)生在使用抗生素之后，抗生素可以殺死許多腸道細菌，但對休眠的孢子沒有作用。在治療后，艱難梭菌從休眠中蘇醒，并可能大量繁殖，往往會造成災難性的后果。

消除孢子也是食品加工廠的一個核心挑戰(zhàn)，因為休眠細菌由于其保護性盔甲和脫水狀態(tài)，可以抵制消毒處理。如果消毒不成功，發(fā)芽和生長會造成嚴重的食源性疾病和巨大的經(jīng)濟損失。

了解孢子如何感知營養(yǎng)并迅速脫離休眠狀態(tài)，可以使研究人員開發(fā)出早期觸發(fā)發(fā)芽的方法，從而有可能對細菌進行消毒，或者阻止發(fā)芽，使細菌被困在其保護殼內(nèi)，無法生長、繁殖，使食物變質(zhì)或?qū)е录膊　?/p>

標簽： 生物科學 休眠細菌 營養(yǎng)物質(zhì) 紫外線輻射

　　 原標題：長久以來的謎團有了答案：休眠細菌是如何復活的