古细菌最初是在热液喷口等极端环境中发现的，它是一种单细胞微生物，也可以在动物(包括人类)的消化系统中找到，它们在肠道健康中发挥着关键作用。然而，人们对这些细胞的功能或它们如何形成与环境相匹配的独特形状知之甚少。

现在，由宾夕法尼亚大学艺术与科学学院的MeckyPohlschröder领导的研究揭示了决定古细菌形态的分子机制的关键见解。研究结果发表在《自然通讯》杂志上。

“当跨多个不同学科的合作研究最终取得重大发现时，总是令人兴奋，但当研究加深了我们对基本生物过程的理解时，更令人满足，”波尔施罗德说。

“决定古细菌细胞形状的蛋白质的表征也可能揭示古细菌其他细胞过程的机制。”波尔施罗德指出，他们的发现还表明可以更好地理解细菌和真核生物(细胞膜内含有细胞核的生物体)的此类机制。

从高中项目到前沿研究

主要作者希瑟·席勒(HeatherSchiller)是Pohlschröder实验室的前研究生，她讲述了这一发现是如何从一名高中生在实验室的暑期研究开始的。“我们的夏季研究助理约书亚(Joshua)接到了一项艰巨的任务，即从随机突变库中对1,000多个菌株进行采样，以观察它们的游泳能力，”席勒说。“在这样做的过程中，他发现了一些超级活跃的Haloferaxvolcanii突变体。”

席勒解释说，该过程涉及使用具有一定稠度的琼脂板，使细胞能够游过琼脂板，从而产生可见的光环。不会游泳的突变体不会形成这些光环，从而能够识别它们。该学生正在寻找表现出运动能力改变的突变体，其中一些突变体的运动速度比平时更快。

“在显微镜下仔细检查后，发现这些移动速度更快的突变体只形成棒状，而不是盘状，”席勒说。“这一发现对于我们的最新研究至关重要，因为它为进一步研究参与形状形成的细胞成分提供了明确的方向，而不仅仅是确定的突变蛋白。”

Pohlschröder解释说，Haloferaxvolcanii中杆状和盘状形状的重要性不仅仅是形态问题，而且与生物体的功能和对环境条件的适应性有着复杂的联系。杆的形状对于有效游泳尤其重要，使微生物能够有效地在其环境中航行。

最新研究通过采用整合转座子插入筛选、定量蛋白质组学、反向遗传学和先进显微镜的整体协作方法，更深入地研究这些形状转变。

多管齐下

Pohlshröder实验室前博士后研究员、现任罗切斯特理工学院助理教授StefanSchulze表示，锁定在特定细胞形状中的突变菌株的鉴定使研究人员的分析流程迈出了下一步：比较定量蛋白质组学。

这项技术本质上是量化不同条件下细胞中蛋白质的丰度，使研究人员能够将突变体与野生型细胞在不同生长阶段的蛋白质谱进行比较。这种比较有助于区分丰度变化与细胞形状特别相关的蛋白质和与生长阶段相关的蛋白质。

为了证实这些细胞形状相关蛋白的重要性，席勒使用了反向遗传学方法，其中通过观察其修饰或删除的影响来发现感兴趣基因的功能。

“这种方法用于研究蛋白质组学实验中确定的特定蛋白质的作用，例如细胞形状决定中的盘决定因子A和杆决定因子A，”Schulze说。它还包含一种蛋白质，来自宾夕法尼亚大学佩雷​​尔曼医学院的DanielSafer(他对真核生物肌动蛋白具有广泛的背景)大约在同一时间指出，它是一种潜在的肌动蛋白同源物，但与参与视杆细胞形成的其他肌动蛋白不同，它是一种蛋白质。磁盘中更加丰富。

虽然蛋白质组学和反向遗传学可以确定哪些蛋白质对于改变细胞形状至关重要，但仍需要先进的显微镜来可视化这些蛋白质在细胞内的行为。与布兰迪斯大学助理教授亚历克斯·比森(AlexBisson)的合作解决了这个难题。Bisson实验室利用超分辨率显微镜和计算分析方面的专业知识来可视化和量化Volactin等蛋白质的动态行为，volactin是一种肌动蛋白同源物，研究人员认为它对于向盘状细胞的转变至关重要。

Pohlschröder与Bisson实验室合作，创建了细胞内Volactin聚合物的高分辨率3D图像。使用与荧光蛋白GFP融合的volactin，研究人员能够实时跟踪volactin动态，显示这些聚合物伸长(聚合)和收缩(解聚)，这表明volactin聚合物可以动态“感知”细胞状态，以便协调细胞形状。

Pohlschröder说：“与肌动蛋白在许多真核细胞中的功能不同，肌动蛋白通常与维持细胞形状和促进运动有关，而在我们的模型古菌Haloferaxvolcanii中，这种肌动蛋白同源物对于向盘状细胞的转变至关重要。”

展望未来

“这项研究真正强调了跨学科合作和专业知识在各个层面推进科学发展的重要性，”波尔施罗德说。“丹尼尔的投入，结合我们团队的综合方法，以及斯特凡和亚历克斯的重大贡献，导致对古细菌细胞形状决定的分子机制，特别是Volactin的作用产生了如此值得注意的见解。”

Pohlschröder说，除了进一步研究这些研究中发现的蛋白质的功能之外，她和她的团队现在有兴趣了解古细菌如何知道何时从杆状结构转换为盘状结构。她目前正在与化学系的研究人员合作，阐明启动细胞形状转变的信号分子。