學習大學的Takayuki Nishizaka教授和Yoshiaki Kinosita博士與AIST的Yoshitomo Kikuchi博士一起發(fā)現(xiàn)了一種無法預見的鞭毛介導的運動形式，它由蟲蟲豆共生體顯示，它需要通過將鞭毛絲包裹在細胞體周圍來游泳。 。具有這種形式的鞭毛介導的運動性的細菌能夠穿過玻璃表面，因此這種運動形式最有可能在細胞外基質表面上有效。這是第一項揭示細菌在與豆蝽成為共生關系時所采用的特征性游泳運動的研究。希望這些發(fā)現(xiàn)將導致通過防止共生來控制害蟲的新方法。該研究的結果發(fā)表在ISME期刊上。

許多種類的游泳細菌都具有稱為鞭毛的旋轉結構，其由20多種蛋白質組成。通過旋轉其鞭毛絲的推進使細菌在水中自由游動。鞭毛介導的運動是細菌在尋找棲息地時移動的必要條件，迄今已知兩種形式：(i)在大腸桿菌等周生細菌中觀察到的“跑和翻滾”; (ii)在弧菌(Vibrio alginoliticus)中觀察到的“向前運行 - 反向輕彈”。這種形式的鞭毛介導的運動在水中移動時被采用，但它們也被病原細菌用于到達宿主的內部器官。因此，它們被廣泛認為是毒力因子。

盡管細菌鞭毛介導的運動與毒力密切相關，但它在動物和細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)光細菌物種費里諾纖維(Aliivibrio fischeri)發(fā)光，在月光下擴散它們的外觀以避開掠食者。生物發(fā)光細菌的運動對于這種共生關系起作用至關重要。另一個例子是豆腐，被公認為農(nóng)業(yè)害蟲，已知通過摻入伯克霍爾德氏菌屬的細菌獲得殺蟲劑抗性。細菌的鞭毛運動性對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博士及其團隊之前曾報道，只有具有運動能力的Burkholderia共生體才能通過這種收縮通道，而缺乏運動性的突變株菌則不能。有趣的是，以前的研究表明，運動的非共生體如大腸桿菌不能通過這個收縮的通道，因此無法到達共生器官。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)光細菌可以選擇性地通過它。然而，研究人員并不知道為什么只有共生體可以通過。在開始目前的研究時，該團隊假設“

在熒光顯微鏡下的包裹運動期間游泳細胞。比例尺，5μm。圖片來源：學習院大學Nishizaka Lab

為了驗證假設，直接捕獲了Burkholderia共生體中的鞭毛介導的運動性。因為鞭毛絲的直徑僅約為20納米(2毫米的第100,000個)，以前只能通過電子顯微鏡觀察到。研究人員發(fā)現(xiàn)，當用熒光染料處理細胞體時，可以在熒光顯微鏡下觀察鞭毛絲，解決了這個問題。此外，通過使用被認為是世界上最靈敏的相機類型的EMCCD相機，他們能夠以每秒400幀的速度捕捉鞭毛燈絲的運動。根據(jù)這一觀察，我們發(fā)現(xiàn)Burkholderia共生體可以以每秒150轉的速度旋轉其鞭毛長絲，以25米/秒的速度(約為其體長的10倍)游動。

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菌如大腸桿菌所顯示的已知運動形式。研究小組成員Yoshiaki Kinosita博士創(chuàng)造了一個模擬甲基纖維素收縮通道粘性內部狀況的環(huán)境。雖然在低粘度介質中觀察到正常的運動形式，但他也能夠在這種條件下觀察鞭毛絲纏繞游泳。這種鞭毛包裹運動與任何已知形式的鞭毛介導的運動都不匹配，可以描述為鞭毛介導的運動的第三種形式。當Burkholderia共生體以這種類似鉆頭的運動形式通過粘性液體移動時，運動效率大約減半，因此低于其他形式的運動性。

熒光顯微鏡下鞭毛多態(tài)變化的實時成像。將正常長絲在0.9秒變?yōu)榫砬L絲，隨后將長絲纏繞在其細胞體周圍。比例尺，2μm。圖片來源：學習院大學Nishizaka Lab

為什么Burkholderia共生體顯示出效率低的獨特運動形式?當研究人員將大腸桿菌(一種非共生體)置于相同的條件下時，它們獲得了有趣的結果。隨著時間的推移，大腸桿菌結合到玻璃表面，無法移動。相反，沒有觀察到伯克霍爾德氏菌細胞被類似地固定。經(jīng)過仔細觀察，Burkholderia共生體以正常的運動形式移動被捕獲，但能夠包裹它們的鞭毛并自行釋放，從而穿過玻璃表面。此外，通過使用全內反射熒光顯微鏡，其允許在玻璃表面附近進行高分辨率觀察，研究人員表明，當發(fā)生類似滑動的運動時，鞭毛絲與玻璃表面之間存在接觸。考慮到玻璃表面是不均勻的，可以假設包裹在細胞體周圍的鞭毛細絲完全適合表面凹槽，旋轉并產(chǎn)生推進力，從而允許在固體表面上有效運動。因此，這種第三種運動形式可被描述為在細胞外基質表面上有效運動所必需的。

鞭毛包裹運動是Burkholderia共生體獨有的嗎?為了解決這個問題，我們研究了A. fischeri，一種短尾魷魚的共生體。像豆腐一樣，短尾魷魚有一種結合共生細菌的機制，只有運動的A. fischeri能夠到達共生器官。當A. fischeri用熒光染料處理并以與Burkholderia 共生體相同的方式觀察時，研究人員發(fā)現(xiàn)A. fischeri也通過將鞭毛絲包裹在身體周圍來游泳。這意味著在許多不同種類的共生細菌中采用新發(fā)現(xiàn)的第三種形式的鞭毛介導的運動的可能性。

該研究表明，通過將鞭毛的旋轉方向從逆時針方向反轉為順時針方向，可以實現(xiàn)從正常形式的運動到鞭毛絲纏繞運動的過渡。然而，旋轉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菌物種中看到。因此，轉向第三種運動形式不能僅通過旋轉方向的變化來解釋。在下一階段，研究人員將通過結構分析觸發(fā)第三種形式的鞭毛運動和窮舉基因分析所需的蛋白質來解決這個問題。此外，他們將分析宿主體內鞭毛介導的運動性，并觀察游泳/滑動形式轉換是否發(fā)生在豆莢腸道區(qū)域內。這項研究將顯示在狹窄通道內移動時，正常的運動形式或鞭毛包裹形式是否更有效。基于我們的研究，通過徹底揭示共生與細菌在基因水平上顯示的多種形式的運動之間的關系，預計將開發(fā)出防止共生體感染和定植的新型殺蟲劑。