休眠细菌如何复活

自150多年前首次描述细菌孢子(惰性，沉睡细菌)以来，解决了一个困扰生物学家的谜团，哈佛医学院的研究人员发现了一种新型的细胞传感器，可以让孢子检测环境中营养物质的存在并迅速恢复生命。

事实证明，这些传感器兼作穿过膜的通道，在休眠期间保持关闭，但在检测到营养物质时迅速打开。一旦打开，通道允许带电离子通过细胞膜流出，在多年甚至几个世纪的休眠后，保护性孢子层的脱落和代谢过程的开启。

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该团队的研究结果于28月<>日发表在《科学》杂志上，可能有助于设计防止危险的细菌孢子在再次醒来并引起爆发之前休眠数月甚至数年的方法。

“这一发现解决了一個多世紀的謎題，”研究資深作者，HMS布拉瓦特尼克研究所微生物學教授David Rudner說。“当它们的系统几乎完全关闭在保护外壳内时，细菌如何感知环境的变化并采取行动打破休眠状态?”

睡眠细菌如何复活

为了在不利的环境条件下生存，一些细菌进入休眠状态并变成孢子，生物过程被搁置，细胞周围有一层层的保护装甲。

这些生物惰性的迷你堡垒使细菌能够等待饥荒时期，并保护自己免受极端高温，干旱，紫外线辐射，刺激性化学物质和抗生素的破坏。

一个多世纪以来，科学家们已经知道，当孢子检测到环境中的营养物质时，它们会迅速脱落保护层并重新点燃其代谢引擎。尽管使它们能够检测营养物质的传感器是在大约50年前发现的，但传递唤醒信号的方法以及该信号如何触发细菌复活仍然是一个谜。

在大多数情况下，信号传导依赖于代谢活动，并且通常涉及编码蛋白质的基因以制造特定的信号分子。然而，这些过程都在休眠细菌内被关闭，这就提出了信号如何诱导睡眠细菌醒来的问题。

在这项研究中，Rudner和团队发现营养传感器本身组装成一个管道，为业务打开细胞。为了响应营养物质，导管(膜通道)打开，允许离子从孢子内部逸出。这引发了一连串的反应，使休眠细胞脱落其保护装甲并恢复生长。

科学家们使用多种途径来追踪这个谜团的曲折。他们部署了人工智能工具来预测复杂折叠的传感器复合体的结构，该复合体由相同传感器蛋白质的五个拷贝组成。他们应用机器学习来识别构成通道的亚基之间的相互作用。他们还使用基因编辑技术诱导细菌产生突变传感器，以此来测试基于计算机的预测如何在活细胞中发挥作用。

“我喜欢科学的一点是，当你发现一个发现时，突然间所有这些没有意义的不同观察突然到位，”鲁德纳说。“这就像你在做一个拼图，你找到了一块的去向，突然间你可以很快地再装下六块。

Rudner将本案中的发现过程描述为一系列令人困惑的观察结果，这些观察结果慢慢形成，这要归功于一组具有不同观点的研究人员协同工作。

一路上，他们不断做出令人惊讶的观察，让他们感到困惑，暗示的答案似乎不是真的。

将线索拼接在一起

当Rudner实验室的HMS研究员Yongqiang Gao对枯草芽孢杆菌微生物进行一系列实验时，一个早期线索出现了，枯草芽孢杆菌常见于土壤中，是引起炭疽病的细菌的表亲。Gao将形成孢子的其他细菌的基因引入枯草芽孢杆菌，以探索产生的不匹配蛋白质会干扰发芽的想法。令他惊讶的是，高发现在某些情况下，细菌孢子被一组来自远亲细菌的蛋白质完美地重新唤醒。

Lior Artzi是这项研究时实验室的博士后研究员，他对Gao的发现提出了解释。如果传感器是一种受体，在检测到信号之前就像一个封闭的门，在这种情况下是糖或氨基酸等营养物质，该怎么办?一旦传感器与营养物质结合，门就会弹出，允许离子从孢子中流出。

换句话说，来自远亲细菌的蛋白质不需要与不匹配的枯草芽孢子蛋白相互作用，而是简单地响应离子开始流动时孢子电状态的变化。

Rudner最初对这一假设持怀疑态度，因为受体不符合特征。它几乎没有离子通道的特征。但Artzi认为，传感器可能由亚基的多个副本组成，在更复杂的结构中一起工作。

AI已进入聊天

另一位博士后杰里米·阿蒙(Jeremy Amon)是AlphaFold的早期采用者，AlphaFold是一种可以预测蛋白质和蛋白质复合物结构的人工智能工具，他也在研究孢子萌发，并准备研究营养传感器。

该工具预测，一个特定的受体亚基组装成一个称为五聚体的五单元环。预测的结构包括中间的通道，可以让离子穿过孢子的膜。人工智能工具的预测正是Artzi所怀疑的。

Gao，Artzi和Amon随后联手测试AI生成的模型。他们与第三位博士后Fernando Ramírez-Guadiana以及HMS生物化学和分子药理学教授Andrew Kruse和HMS系统生物学副教授计算生物学家Deborah Marks的小组密切合作。

他们设计了具有改变的受体亚基的孢子，预测会扩大膜通道，并发现孢子在没有营养信号的情况下醒来。另一方面，他们产生了突变的亚基，他们预测这些亚基会缩小通道孔径。这些孢子未能打开释放离子的大门，并在充足的营养物质存在下从停滞中醒来，以哄骗它们脱离休眠状态。

换句话说，与折叠复合物的预测配置的轻微偏差可能会使门卡住打开或关闭，使其作为唤醒休眠细菌的工具毫无用处。

对人类健康和食品安全的影响

Rudner说，了解休眠细菌如何重新回到生命中不仅仅是一个智力诱人的难题，而且对人类健康具有重要意义。许多能够长时间进入深度休眠状态的细菌是危险的，甚至是致命的病原体：武器炭疽的粉白色形式是由细菌孢子组成的。

另一种危险的孢子形成病原体是艰难梭菌，可引起危及生命的腹泻和结肠炎。艰难梭菌的疾病通常发生在使用抗生素后，抗生素了许多肠道细菌，但对休眠孢子无效。治疗后，艰难梭菌从休眠中苏醒并可能开花，通常带来灾难性后果。

根除孢子也是食品加工厂的核心挑战，因为休眠细菌由于其保护装甲和脱水状态而可以抵抗灭菌。如果绝育不成功，发芽和生长会导致严重的食源性疾病和巨大的经济损失。

了解孢子如何感知营养物质并迅速退出休眠状态可以使研究人员开发早期触发发芽的方法，从而有可能对细菌进行消毒或阻止发芽，将细菌困在保护壳内，无法生长，繁殖，破坏食物或引起疾病。