本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
聚集在一起的馬裡諾莫納斯細菌（黃色箭頭）和矽藻（白色箭頭）。圖片來源：Guo et al. 2017
有時候，你的朋友需要一點說服才會出現在你努力計劃的社交活動中。海洋單胞菌（Marinomonas primoryensis）不會冒險。它會部署由單個巨型蛋白質製成的長而粘的抓鉤，將其矽藻和細菌朋友捆綁在一起進行社交，然後將每個人都粘在它們家園頂部漂浮的冰的下面。它知道，一旦你到了派對，你就會完全很高興你做了……呃……努力。
它的家園是南極洲的
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王牌湖，一個鹹的、寒冷的、分層的湖泊，位於澳大利亞南部伊麗莎白公主地的維斯福爾德山。王牌湖非常黑暗。光線只能穿透幾碼，氧氣只能到達40英尺。這對某些細菌和所有的矽藻來說都是個問題，矽藻是一種具有複雜而美麗的玻璃殼的微生物，需要光來製造食物。這對馬裡諾莫納斯來說尤其是一個問題，它依賴於藻類和矽藻產生的氧氣和營養物質來生存。
由於重力的作用，如果沒有某種幫助，所有這些生物都會沉入令人窒息的黑暗之中。然而，南極洲就是南極洲，有一個現成的救生圈漂浮在表面，那裡的光子最多，氧氣自由流動，如果你能以某種方式將自己附著在上面就好了。
但是，把自己單獨粘在冰上仍然會帶來一個問題：表面不是一個固定的目標，它會不斷地消長。很容易失去對這樣一個光滑的救生圈的控制。但是，如果你和許多其他細菌手牽著手，那麼每個人同時失去控制的機率很小。
由此產生的“派對”實際上是一個混合物種群落，被稱為
生物膜。生物膜在水生環境中無處不在，從河床上的鵝卵石到你淋浴間的瓷磚（和淋浴噴頭！），再到你必須每天從牙齒上擦去的薄膜。在形成生物膜的環境中，牢固地抓住彼此以及你所附著的表面對於使其發揮作用至關重要。在王牌湖中，其結果是“共生微群落”，細菌和矽藻都可以從在陽光充足的頂層公寓中成為鄰居中受益。
這些細菌如何完成這項壯舉也許是最令人驚奇的：它們透過其側面的孔部署巨大的冰錨，這些孔由長達600奈米（0.6微米）的單個蛋白質製成。這與一些
最小的細菌一樣大，是許多其他細菌大小的一半。已知最大的蛋白質——一種名為肌聯蛋白的人類肌肉蛋白質——具有380萬道爾頓的質量、244個蛋白質摺疊域和超過1微米的長度。冰錨，有點笨拙地稱為海洋單胞菌冰結合蛋白，具有150萬道爾頓的質量，以及130多個蛋白質摺疊域。與在明顯比肌聯蛋白大得多的生物體中發現的人類肌肉蛋白不同，冰錨附著在一個僅比蛋白質本身長約三倍的生物體上。
在8月份發表在《科學進展》上的一篇論文中，一個由加拿大、荷蘭和以色列科學家組成的團隊報告了這種巨大蛋白質的完整結構，該蛋白質分為5個主要區域。之前已經描述了區域II和IV的結構，但I、III和V是新領域。
海洋單胞菌冰結合蛋白的整體結構。a）按比例繪製的結構域圖（aa = 氨基酸，蛋白質的組成部分）。b）RI和RIII到RIV的放大檢視。百分比是與RII重複序列的序列相似度百分比 c）以卡通形式顯示的各種蛋白質結構域的實際結構。OM = 外膜，配體 = 結合目標。TISS = I型分泌系統，將蛋白質透過膜孔（T1SS的一部分）傳送的目標訊號。RII在B和C中已被大大截斷，如黑色交叉影線所示。圖片來源：Guo et al. 2017
在冰錨合成後，它以某種方式避免立即摺疊。整個巨型蛋白質在細胞膜中找到一個孔蛋白，然後在它仍然未摺疊的狀態下穿過針眼。科學家推斷出這一點，因為蛋白質最有可能突出的孔太窄，無法容納摺疊的蛋白質。一旦暴露於鹽水，其中發現的鈣離子就會幫助蛋白質正確摺疊併成為其結構的一部分。
是什麼阻止了蛋白質簡單地漂浮到水中？區域/結構域I包含一個塞子，該塞子太大而無法穿過孔，並像紐扣將襯衫閉合一樣將錨固定在細菌內部。也許塞子是在蛋白質的其餘部分之前以某種方式摺疊的。
區域II是由約120個相同亞基組成的長鏈，它們充當吊杆，大大擴充套件了這些細菌的範圍。它佔整個蛋白質的90%。
區域III包含兩個可以結合其他海洋單胞菌和矽藻的對接埠。其中一個對接埠結合碳水化合物。它在許多其他酵母和細菌中發現，並幫助酵母執行一種稱為絮凝的著名動作，從某種意義上說，這與海洋單胞菌試圖完成的事情相反。當食物耗盡時，酵母會利用其對接埠結合彼此外部的碳水化合物。它們會凝結並沉到液體底部，因為它們的集體重量增加了。這種生存策略僅被野生酵母偶爾使用，但
多年來，啤酒釀造者選擇具有絮凝能力的酵母菌株，以便在裝瓶前澄清啤酒。
另一個對接埠與蛋白質結合，並且類似於在霍亂弧菌上發現的一個對接埠，該埠幫助其在人類宿主的腸道中定殖。
這兩個對接埠都可能結合其他海洋單胞菌細菌。該團隊使用工程設計成在黑暗中發光的海洋單胞菌對接埠進行的實驗表明，它們絕對會與矽藻結合。當科學家將海洋單胞菌細菌與稱為新月菱形藻的矽藻放在一起時，細菌會粘附在矽藻上（第二種矽藻圓柱形脆杆藻無法被海洋單胞菌捕獲）。
整個質量最終也粘附在實驗室培養物中存在的任何冰上。一旦在那裡固定下來，這團生物體就無法被流動的水移除。矽藻本身沒有顯示出粘附在冰上的能力。
區域IV是實際的冰錨，它形成一個由氨基酸組成的面板，巧妙地將水分子排列成類似冰的模式。當這種“預冰”陣列接觸到實際的冰時，它會凍結並退火。哇！我認為這真是太棒了。
區域V是第一個在從細菌中擠出時遇到海水的區域，它可能有助於蛋白質的其餘部分正確摺疊。它還包含引導未摺疊蛋白質到達適當孔的序列。
作者建立的此影像總結了他們的發現。右側的面板有點難以閱讀，因此下面有一個放大圖。
圖片來源：Guo et al. 2017
M. primoryensis與矽藻和其他細菌集體結合到冰上的模型。TolC是冰錨蛋白延伸穿過的膜孔。圖片來源：Guo et al. 2017
作為一個整體，冰錨與許多病原體用來形成它們自己的（從我們的角度來看）更邪惡的生物膜的蛋白質具有密切的化學親緣關係。這些蛋白質被稱為重複序列毒素粘附素，被諸如霍亂弧菌（霍亂）、鼠傷寒沙門氏菌（沙門氏菌）和一些假單胞菌細菌等臭名昭著的殺手用來做它們的骯髒勾當。它們共享膜錨的整體結構；長的、重複的延伸器；以及遠端的結合和孔靶向區域。
儘管病原體很重要，但對其粘附素的結構的細節、它們如何保持附著在細菌上以及它們到底附著在哪些生化物質上了解不多。蛋白質的巨大尺寸和那些討厭的重複序列使得分析變得困難。
作者認為，瞭解海洋單胞菌冰錨的結構可能是找出如何使病原細菌用來定殖和利用我們的這些類似構建的抓鉤失效的第一步。事實上，科學家們能夠透過堵塞冰錨的附著板來產生抗體，阻止海洋單胞菌在實驗室中結合冰。破壞一些可憐的冰細菌的派對似乎很蹩腳，但它最終可能幫助我們關閉其他派對，這些派對太過瘋狂，以至於對它們的宿主是致命的。
參考
郭帥旗、科裡·A·史蒂文斯、泰勒·D·R·萬斯、盧克·L·C·奧利耶夫、勞裡·A·格雷厄姆、羅伯特·L·坎貝爾、賽義德·R·亞茲迪等。“將南極細菌與矽藻和冰結合的1.5 MDa粘附素的結構”。《科學進展》3，第8期（2017）：e1701440。