(A） Alphafold預(yù)測(cè)的BW-28的Mad1三維結(jié)構(gòu)模型。結(jié)構(gòu)中標(biāo)明了四個(gè)肌動(dòng)蛋白結(jié)構(gòu)域 Ia、Ib、IIa 和 IIb。（B） 純化的 N 端 His 標(biāo)簽的 Mad28 的 SDS-PAGEBW-1型來(lái)自大腸桿菌。（C）Mad28的體外聚合BW-1型在存在 ATP-γ-S 且沒有 ATP （D） 的情況下，通過 TEM 可視化。比例尺，100 nm。圖片來(lái)源：mBio （2023）。DOI： 10.1128/mbio.01649-23

由拜羅伊特微生物學(xué)家Dirk Schüler領(lǐng)導(dǎo)的德法研究小組在《mBio》雜志上介紹了磁性細(xì)菌中蛋白質(zhì)功能的新發(fā)現(xiàn)。該研究基于在同一期刊上發(fā)表的先前結(jié)果。

在這項(xiàng)研究中，拜羅伊特的科學(xué)家們使用Magnetospirillum gryphiswaldense物種的細(xì)菌來(lái)破譯基因的功能，這些基因可能參與了其他難以獲得的磁性細(xì)菌中磁小體的生物合成。

磁小體鏈就像羅盤針一樣

磁性細(xì)菌在其細(xì)胞內(nèi)含有由鐵礦物納米晶體組成的磁性顆粒。這些細(xì)胞器樣顆粒在研究中被稱為磁小體。就像鏈條中的鏈接一樣，這些粒子中有 20 多個(gè)有規(guī)律地一個(gè)接一個(gè)地排列。單個(gè)晶體的磁矩相加，使得鏈（類似于羅盤針）具有磁傳感器的功能：它將細(xì)菌細(xì)胞對(duì)準(zhǔn)地球相對(duì)微弱的磁場(chǎng)。

鏈的結(jié)構(gòu)和空間排列由顆粒附著的纖維支撐。這些細(xì)胞骨架纖維的主要成分是蛋白質(zhì)MamK，它們就像一個(gè)穩(wěn)定的支架。它屬于肌動(dòng)蛋白家族，存在于所有已知的磁性細(xì)菌中，但在大多數(shù)非磁性細(xì)菌中也有功能完全不同的親戚。

基因轉(zhuǎn)移克服了研究障礙

肌動(dòng)蛋白 MamK 在 M. gryphiswaldense 物種的磁性細(xì)菌中執(zhí)行的功能已經(jīng)在以前的研究中進(jìn)行了廣泛的研究：它對(duì)鏈形成過程有顯著影響，并導(dǎo)致鏈準(zhǔn)確定位在細(xì)菌細(xì)胞的中間。在細(xì)胞分裂過程中，這確保了磁小體鏈被一分為二，并且兩個(gè)子細(xì)胞接收長(zhǎng)度相等的部分。

然而，到目前為止，人們對(duì)其他種類的磁性細(xì)菌是否以同樣的方式依賴MamK進(jìn)行磁小體生物合成，或者它們是否為此目的使用其他蛋白質(zhì)甚至機(jī)制知之甚少。研究人員對(duì)這個(gè)問題特別感興趣，尤其是出于以下原因：許多其他種類的磁性細(xì)菌產(chǎn)生磁體和磁體鏈，這些磁體和磁小體鏈在晶體構(gòu)建塊的形狀和大小以及細(xì)胞排列方面與 M. gryphiswaldense 有很大不同。

關(guān)于在M. gryphiswaldense中揭示的生物合成機(jī)制在多大程度上具有普遍性的問題仍未得到解決，主要是因?yàn)閷?duì)許多其他種類的磁性細(xì)菌進(jìn)行必要的研究非常困難：在某些情況下，所討論的磁性細(xì)菌不適合進(jìn)行遺傳研究;在其他情況下，泥棲生物不能在實(shí)驗(yàn)室中生長(zhǎng)。

M. gryphiswaldense的突變體產(chǎn)生外來(lái)蛋白質(zhì)

發(fā)表在mBio上的新研究提出了一種規(guī)避這些困難的新方法。拜羅伊特的研究人員在之前發(fā)表在mBio上的一項(xiàng)研究中為此奠定了基礎(chǔ)。在這里，他們成功地表達(dá)了控制外來(lái)磁性細(xì)菌中磁小體產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，即 M. gryphiswaldense 突變體。引入的蛋白質(zhì)甚至可以被證明可以取代M. gryphiswaldense自身蛋白質(zhì)的功能，這些蛋白質(zhì)的基因以前已被消除，從而證明了磁小體形成中外來(lái)蛋白質(zhì)的功能平等。

在他們的新研究中，來(lái)自拜羅伊特大學(xué)，艾克斯 - 馬賽大學(xué)和里昂大學(xué)的微生物學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)將這種有前途的方法應(yīng)用于肌動(dòng)蛋白，這些肌動(dòng)蛋白被懷疑對(duì)其他磁性細(xì)菌中磁小體的連接具有控制性影響。M. gryphiswaldense的突變體產(chǎn)生了這些外來(lái)肌動(dòng)蛋白，現(xiàn)在可以研究其功能。

事實(shí)證明，所有研究的外源肌動(dòng)蛋白都影響了鏈的形成。有些甚至能夠生產(chǎn)與M. gryphiswaldense中的“原始鏈”非常相似的鏈條支架。此外，先前發(fā)現(xiàn)的一種稱為Mad28的遠(yuǎn)親新型肌動(dòng)蛋白樣蛋白被證明能夠支持細(xì)胞骨架纖維支架的形成，從而形成有序的磁小體鏈。

Key proteins control the linkage of magnetosomes

“我們的研究清楚地表明，除了已經(jīng)得到充分研究的MamK之外，在進(jìn)化多樣化的磁性細(xì)菌群中還有其他肌動(dòng)蛋白樣蛋白，這些蛋白質(zhì)會(huì)影響磁小體鏈的產(chǎn)生和定位。此外，我們還發(fā)現(xiàn)了以前未知的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)在其他細(xì)菌中具有類似的功能，形成它們的磁羅盤針。這為關(guān)鍵蛋白質(zhì)在磁小體細(xì)菌生物合成中的功能提供了新的線索，“兩項(xiàng)研究的作者Ram Prasad Awal博士解釋說(shuō)。

“我們的研究結(jié)果證明，細(xì)菌M. gryphiswaldense非常適合作為模式生物，從外來(lái)細(xì)菌中破譯生物合成磁小體蛋白的功能。這些發(fā)現(xiàn)將來(lái)也可用于磁小體的生物技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，“拜羅伊特大學(xué)微生物學(xué)系主任DirkSchüler教授說(shuō)。

洞察進(jìn)化

這項(xiàng)新研究還深入了解了磁性細(xì)菌合成細(xì)胞磁傳感器的獨(dú)特能力的進(jìn)化歷史。使用計(jì)算機(jī)上的特殊生物信息學(xué)方法，德國(guó)和法國(guó)團(tuán)隊(duì)成功地重建了MamK進(jìn)化前身蛋白質(zhì)的假定氨基酸序列。這大概是該家族所有已知代表的一個(gè)共同祖先。

值得注意的是，這種人工生成的蛋白質(zhì)，名為MamK-LUCA，能夠在現(xiàn)存的磁性細(xì)菌M. gryphiswaldense中執(zhí)行與該模式生物自身蛋白質(zhì)類似的功能。