支原體“幽靈”能死而復生

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本文發表於《大眾科學》的前部落格網路,反映了作者的觀點,不一定反映《大眾科學》的觀點


運動支原體的“幽靈”——被細胞膜的殘破碎片覆蓋的剝離細胞骨架。來源:Nakane and Miyata 2007。點選圖片檢視連結。

作為期刊文章的標題,很難找到比“運動支原體的滑行幽靈”更優雅、更吸引人且——值得注意的是,如果你在這個行業待了很久——更簡潔的標題了。

儒勒·凡爾納短篇小說?蒸汽朋克西部片?不。這是2005年《細胞生物學》上一篇文章的標題。


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但“滑行幽靈”的實質內容甚至比標題所暗示的還要精彩。那是因為運動支原體的細胞推進系統做了一些非凡的事情:透過新增 ATP,*M. mobile* 被掏空且已死亡的殘骸可以站起來並像活著一樣移動。

在下面這段令人震驚的影片中,活潑地滑行的、毫無戒心的活細胞突然暴露於去汙劑 Triton X-100 中,這種去汙劑會在它們的細胞膜上打孔,使細胞的可溶性內容物逸出,同時傳遞迅速且據推測是人道的死亡*。

隨後浸入 DNA 酶中,這是一種酶,可以分解從垂死細胞中像內臟一樣溢位的任何長而粘稠的 DNA 團塊(在新增 DNA 酶後仔細觀察——你實際上可以看到它們可憐的小內臟溢位)。此時,幾乎剩下的就是前支原體的細胞骨架殘骸,上面覆蓋著一些殘破的膜。

然而,如果你在這之後新增 ATP——你可能從高中生物學中記得它是通用的細胞燃料顆粒——這就是發生的事情

它們....復活了!!幽靈?殭屍?無論它們是什麼,這個小小的微生物把戲——以及驗證 ATP 是這些支原體引擎的動力來源的關鍵步驟——都令人驚歎。

還有更多:Small Things Considered(連結如下)博文的作者丹尼爾·豪瑟告訴我,他發現特別有趣的是,如果科學家不使用 DNA 酶和 RNA 酶處理細胞,前細胞會被它們溢位的 DNA 內臟粘在載玻片上——它們開始移動,伸出它們“黏糊糊的”(他的詞)DNA/RNA 連線物,然後彈回。因此,顯然,DNA 中的鍵的強度大於它們的運動引擎可以施加的力量。那麼這些引擎呢?它們是如何工作的?

使這種現象成為可能的機制是兩種支原體獨有的。運動支原體的細胞類似於燈泡(或羽毛球)。燈泡的螺口實際上是頭部,頭部內部是一個細胞骨架基質,賦予其形狀。拖在基質後面的是“水母觸手”——長長的蛋白質鏈。

運動支原體的細胞骨架。與本頁頂部的“幽靈”影像進行比較。來源:Nikane and Miyata 2007。點選圖片檢視連結。

該鏈上的每個單元又連線到一個類似蚱蜢腿的結構,該結構在掃描電子顯微照片中以“尖刺”的形式突出在運動支原體的頸部周圍。

運動支原體滑行蛋白系統的一種假設。來源:Miyata 2010。點選圖片檢視連結。

附著在該裝置上的 ATP 酶蛋白裂解燃料,這會在發動機機制中誘導蛋白質形狀變化級聯反應,最終導致腿與表面的分離、移動和重新附著。總而言之:一步。

有趣的是,人工支原體幽靈最終開始失去對載玻片表面的抓地力並減速,因為它們的發動機碎片會分解,但無法被活細胞的修復系統替換。

為這一壯舉提供動力的蛋白質複雜系統幾乎是這種微生物獨有的,就科學家所知。與為精子、原生生物和幾種其他真核細胞提供動力的鞭毛(一種鞭打的、柔韌的尾巴)或細菌(一種固定的、螺旋狀的轉子,轉動以像船舶的螺旋槳一樣推動細菌前進)甚至為所有動物提供動力的肌動蛋白-肌球蛋白肌肉纖維(這些都是廣泛存在的系統)不同,運動支原體的發動機裝置僅在其自身和一個相關物種中發現。

考慮到已知如此之少的獨特系統,支原體屬似乎是這些運動創新微生物夢想工廠:在 Small Things Considered 的一篇博文中,這篇文章啟發了本文,如果您有興趣瞭解更多資訊,您應該檢視一下,丹尼爾·豪瑟告訴我們,至少還有一種獨特的“蠕蟲”型推進系統已在該屬中進化出來,即肺炎支原體這是一種引起細菌性肺炎的細菌,並且恰好是地球上已知最小的自由生物。該屬中可能還有其他此類獨特的系統。

為什麼這種情況在支原體中發生了兩次?沒有人確定。該屬的成員往往是寄生的——運動支原體是從魚鰓中分離出來的。也許向寄生性的轉變產生了進化出新的運動系統的壓力。而且該屬的成員與其他大多數細菌的不同之處在於它們缺乏細胞壁。大多數細菌都有由肽聚糖製成的剛性壁。支原體沒有。也許這給了它們在進化新的運動系統方面更多的……嗯……靈活性。

儘管如此,從表面上看是從零開始組裝出不僅一種,而是兩種這樣的運動系統(該系統中的蛋白質似乎與任何其他主要的細菌或真核生物運動蛋白系統都不同源或共享祖先)是一項非常了不起的壯舉。但你也必須承認,死而復生也是如此。

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* 與大多數其他細菌不同,支原體屬缺乏細胞壁,因此您不必破壞它來清空細胞。該屬的植物寄生蟲等價物是植原體,其中微小的細菌也缺乏細胞壁,並且不受剛性壁的限制,有時會在它們生活的植物汁液中膨脹成奇特的斑點狀形狀(科學家稱它們為“多形性”)。還有一個植物和昆蟲寄生屬,稱為螺原體,其成員儘管缺乏細胞壁,但仍然設法形成完美的螺旋形。

 

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