两篇Science揭示细菌的触觉反应 定殖毒力

邓文龙

两篇Science揭示细菌的触觉反应

2017-10-28 22:35

2017年10月28日/生物谷BIOON/---细菌能够附着到宿主体内的表面上。这种表面接触会导致菌膜（biofilm）产生。菌膜是一种能够抵抗抗生素作用和免疫系统清除的多细胞结构，可导致人类出现严重的健康问题，并且威胁着至关重要的基础设施，如供水系统和污水管道系统。

尽管从传统意义上讲，细菌没有感觉器官，但是它们仍然善于感知它们的环境。这是因为细菌具有触觉。细菌会对表面接触产生的触觉反应，从而导致细菌牢牢度固定在表面上。如今，在两项发表在Science期刊上的研究中，两个不同的研究团队从不同的方面研究了细菌的触觉反应。

在第一项研究中，美国印第安纳大学生物学教授Yves Brun及其团队发现了细菌感知表面接触和附着到这种表面上的方式。他们也发现一种欺骗细菌让它们误认为感知到表面接触的方法。这种表面接触会触发菌膜形成。相关研究结果发表在2017年10月26日的Science期刊上，论文标题为“Obstruction of pilus retraction stimulates bacterial surface sensing”。

图片来自Courtney Ellison, Indiana University。

他们证实细菌利用一种超细的被称作菌毛（pili）的发状附属物动态地收缩，从而感知到表面接触，并且附着到这种表面上，最终产生菌膜。菌毛是由上千种菌毛蛋白（pilin）组成的，而且是从细菌细胞中延伸出来的。在感知到表面接触后，这些菌毛停止移动，随后细菌开始产生一种粘性极强的物质，或者说“生物粘附剂（bioadhesive）”，从而促进它们粘附到表面上和菌膜形成。

为了欺骗细菌让它们误认为感知到表面接触，Brun团队将聚乙二醇（PEG）-马来酰亚胺偶联物（PEG-mal）附着到菌毛上，从而高效地阻断菌毛移动。

为了观察菌毛移动，Brun团队将一种主要的菌毛蛋白中的一种天然的氨基酸替换为另一种被称作半胱氨酸的氨基酸。马来酰亚胺分子携带着荧光染料BODIPY或AF488（马来酰亚胺-荧光染料偶联物），结合到这种半胱氨酸上，从而对这种菌毛蛋白进行荧光标记，这样就能够揭示出这些菌毛的移动。更重要的是，这种荧光标记并不会影响这些菌毛的整体行为。他们也利用PEG-马来酰亚胺偶联物附着到菌毛上从而在物理上阻断它们移动。

用于这项研究中的细菌是新月柄杆菌（Caulobacter crescentus），它是一种经常用于实验室实验中的细菌。

Brun团队也利用这项研究中开发的这种标记方法可视化观察霍乱弧菌（Vibrio cholerae）产生的三类菌毛。菌毛在霍乱弧菌的毒力中发挥着重要的作用。如今，他们正在利用这种强大的工具理解霍乱弧菌如何使用它们。

接下来，Brun和同事们希望揭示出将菌毛移动与生物粘合剂产生关联在一起的精确机制，这是因为这两个过程存在关联，但是这种关联的精确性质一直是未知的。

在第二项研究中，来自瑞士巴塞尔大学生物中心的Urs Jenal教授及其团队发现细菌不仅对化学信号作出反应，而且也具有触觉。他们展示了细菌如何识别表面，并在几秒钟内对这种机械刺激作出反应。这种机制也被病原菌用来在它们的宿主细胞中定植，并且攻击这些细胞。相关研究发表在2017年10月26日的Science期刊上，论文标题为“Second messenger–mediated tactile response by a bacterial rotary motor”。

图片来自University of Basel, Biozentrum。

这些研究人员利用非致病性的新月柄杆菌作为模式生物，首次能够证实细菌具有“触觉”。这种机制有助它们识别表面和诱导它们产生它们自己的速干胶（instant adhesive）。

游动的新月柄杆菌在它们的胞外被膜（cell envelope）上具有一种旋转马达，即鞭毛。鞭毛是这种胞外被膜的一种长长的突出物。鞭毛的旋转使得细菌能够在液体中移动。令这些研究人员感到大为吃惊的是，这种旋转马达也作为一种机械传感器加以使用。马达旋转是由质子通过离子通道流进细胞中驱动的。当游动的细菌细胞接触到表面上时，这种马达会受到干扰，因而这种质子流受到破坏。

这些研究人员认为正是这种触觉信号触发这种反应：细菌细胞利用与这种旋转马达结合的双鸟苷酸环化酶DgcB促进第二个信使分子（即环鸟苷二磷酸）合成，这接着又促进几秒钟内将细菌牢牢地固定在表面上的多糖粘附素（adhesin）产生。Jenal说，“作为一个令人印象深刻的例子，它解释了当接触到表面时，细菌如何快速地和特异性地改变它们的行为。”（生物谷 Bioon.com）

http://news.bioon.com/article/6712205.html

参考资料：

Courtney K. Ellison, Jingbo Kan, Rebecca S. Dillard et al. Obstruction of pilus retraction stimulates bacterial surface sensing. Science, 27 Oct 2017, 358(6362):535-538, doi:10.1126/science.aan5706
http://science.sciencemag.org/content/358/6362/535

Isabelle Hug, Siddharth Deshpande, Kathrin S. Sprecher et al. Second messenger–mediated tactile response by a bacterial rotary motor. Science, 27 Oct 2017, 358(6362):531-534, doi:10.1126/science.aan5353
http://science.sciencemag.org/content/358/6362/531

Kelly T. Hughes, Howard C. Berg. The bacterium has landed. Science, 27 Oct 2017, 358(6362):446-447, doi:10.1126/science.aaq0143
http://science.sciencemag.org/content/358/6362/446

Biologists discover bacteria's 'sense of touch'
https://phys.org/news/2017-10-biologists-bacteria.html

Bacteria have a sense of touch
https://phys.org/news/2017-10-bacteria.html



（華成旅行最便宜 03-3833-9823)

邓文龙

软件译：

细菌有触觉

生物学 细胞与微生物学 2017年10月26日

细菌有触觉

2017年10月26日

感触感：游泳细菌可以用鞭毛感觉表面。信用：巴塞尔大学，Biozentrum
虽然细菌在古典意义上没有感官器官，但他们仍然是掌握环境的主人。巴塞尔大学Biozentrum大学的一个研究小组现在发现，细菌不仅对化学信号有反应，而且具有触觉。科学研究人员在最近出版的“ 科学”杂志上，展示了细菌如何识别表面，并在数秒内回应了这种机械刺激。这种机制也被病原体用于定居和攻击其宿主细胞。
通过粘膜或肠内膜，我们身体的不同组织和表面是细菌性病原体的入口。头几秒 - 触摸的时刻 - 对成功的感染往往至关重要。一些病原体使用机械刺激作为触发剂来诱导其毒力并获得损伤宿主组织的能力。由Urs Jenal教授领导的研究小组最近在巴塞尔大学Biozentrum发现了细菌是如何感觉到它们在表面上的，以及在这几个关键的几秒钟内究竟发生了什么。
研究仅关注化学信号
近几十年来，研究在探索细菌如何感知和处理化学信号方面取得了巨大进步。Jenal说：“然而，我们几乎不知道细菌如何读出机械刺激，以及如何改变他们的行为来应对这些线索。“使用非致病性变杆菌作为模型，我们的小组首次能够显示细菌具有”触觉“，这种机制有助于他们识别表面并诱导细胞自身瞬间粘合剂的生产。 “
如何细菌识别表面并坚持它们
游泳无菌杆菌在其细胞包膜中具有旋转的马达，其长突出部分是鞭毛。鞭毛的旋转使细菌能够在液体中移动。研究人员惊奇的是，转子也被用作机械传感器。电机旋转由质子流通过离子通道进入电池。当游泳细胞触摸表面，所述马达受到干扰，质子流中断。
研究人员认为这是引发反应的信号：细菌细胞现在可以促进第二信使的合成，从而刺激粘附素的产生，从而在数秒内牢固地将细菌固定在表面上。Jenal说：“这是一个令人印象深刻的例子，说明细菌在遇到表面时可以改变其行为。
更好地了解传染病
Jenal说：“即使细菌是无害环境细菌，我们的发现与感染性疾病的理解高度相关，我们在细菌中发现的也适用于重要的人类病原体。为了更好地控制和治疗感染，必须更好地了解在表面接触后的最初几秒内发生的过程。

进一步探讨： 蔬菜腐烂？检查细菌谈话
更多信息： “第二信使介导的细菌旋转马达的触觉反应”，
报告
细菌旋转电机的第二信使介导的触觉反应
Isabelle Hug 1，Siddharth Deshpande 2，*，Kathrin S. Sprecher 1，Thomas Pfohl 2，†，Urs Jenal 1，‡
查看所有作者和隶属关系
科技  2017年10月27日：
卷。358，Issue 6362，pp。531-534
DOI：10.1126 / science.aan5353  ：

文章

阐明细菌的触觉
细菌可以粘附在宿主内的表面上。这导致组织定植，诱导毒力，最终形成抵抗抗生素和免疫系统清除的生物膜 - 多细胞细菌群落（参见休斯和伯格的观点）。Hug 等人 表明细菌具有触觉，可以让他们在遇到表面时迅速改变其行为。这种触觉感知利用鞭毛的内部部件，由质子基质力驱动的旋转马达，其有助于朝向表面游泳。因此，多功能鞭毛马达是促进表面适应的机械敏感装置。在补充工作中，Ellison 等 阐明细菌菌毛在类似表面感应作用中的作用。
科学，这个问题p。531，p。535 ; 另见p。446

抽象
当细菌遇到表面时，它们会以表面定殖和毒力诱导作用。细菌机械损伤和下游信号传导的机理尚不清楚。在这里，我们描述了Caulobacter crescentus中的触觉感知级联，其中鞭毛马达作为传感器。表面诱导的电动机干扰通过运动相关的二叉二酸环化酶DgcB刺激了第二信使环状二环素的生成。这导致糖基转移酶HfsJ的变构激活以促进多糖粘附素的快速合成和表面锚定。虽然膜嵌入式电机单元对于表面感测是必不可少的，但缺乏外部鞭毛结构的突变体对机械刺激是过敏的。因此，细菌鞭毛马达作为无机传感器，使人联想到机械敏感通道。
http://www.sciencemag.org/about/ ... urnal-article-reuse
科学（2017）。DOI：10.1126 / science.aan5353 http://science.sciencemag.org/content/358/6362/531
期刊参考： 科学  
由 巴塞尔大学提供

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