2021年4月12日，《自然·通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表了北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）、生命科學(xué)學(xué)院白凡課題組的合作研究論文“Probing bacterial cell wall growth by tracing wall-anchored protein complexes”（通過追蹤細(xì)胞壁錨定蛋白運(yùn)動(dòng)揭示細(xì)菌細(xì)胞壁生長(zhǎng)規(guī)律）。

細(xì)胞的生長(zhǎng)和分裂是重要的生命過程。在細(xì)胞生長(zhǎng)和分裂過程中維持穩(wěn)定的細(xì)胞形狀十分重要，這常常由精密的調(diào)控機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。在細(xì)菌中，細(xì)胞的外殼結(jié)構(gòu)由細(xì)胞膜（主要含磷脂分子）和細(xì)胞壁（主要含肽聚糖分子）組成。細(xì)菌的外殼結(jié)構(gòu)除了保持細(xì)胞形狀外，還為平衡滲透壓提供了力學(xué)支撐。細(xì)菌生長(zhǎng)和分裂過程中，在細(xì)胞骨架蛋白和一系列酶的作用下，細(xì)菌細(xì)胞壁經(jīng)歷延伸、重塑、斷裂等動(dòng)態(tài)改變。盡管肽聚糖分子的化學(xué)組成和微觀連結(jié)得到了充分的研究，但在細(xì)胞水平肽聚糖分子的合成與插入如何改變細(xì)菌細(xì)胞壁形態(tài)還存在較多未知。以往的研究通過在細(xì)菌細(xì)胞壁合成中引入熒光D型氨基酸，初步實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞壁插入模式的定性測(cè)量。然而，在活細(xì)胞中以高時(shí)空分辨率解析細(xì)菌細(xì)胞壁合成的定量規(guī)律還存在較大挑戰(zhàn)。

在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新思維，通過追蹤細(xì)菌細(xì)胞壁錨定蛋白的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來間接推斷細(xì)胞壁生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)規(guī)律。研究人員使用Alexa 594熒光染料對(duì)細(xì)菌鞭毛分子馬達(dá)（bacterial flagellar motor, BFM）進(jìn)行了熒光標(biāo)記。BFM是典型的固定于細(xì)菌細(xì)胞壁上的蛋白質(zhì)復(fù)合物，在一個(gè)細(xì)胞中有5-10個(gè)BFM分布。由于它們緊密地固定于細(xì)胞壁上，因此細(xì)菌細(xì)胞壁的生長(zhǎng)可以通過在活細(xì)胞上監(jiān)測(cè)這些熒光“錨點(diǎn)”之間相對(duì)距離的變化而得以解析（圖1A，圖2A-B）。

研究人員觀測(cè)了細(xì)菌生長(zhǎng)過程中熒光BFM相對(duì)細(xì)菌一個(gè)端點(diǎn)的距離變化。有趣的是，細(xì)菌細(xì)胞壁的延伸似乎存在一個(gè)明確的邊界，分隔開肽聚糖分子活躍插入的“活動(dòng)區(qū)”和沒有肽聚糖分子插入的“靜止區(qū)”。支持這一結(jié)論的實(shí)驗(yàn)證據(jù)是伴隨著細(xì)菌細(xì)胞的生長(zhǎng)，距離端點(diǎn)“邊界距離”之外的BFM會(huì)逐漸遠(yuǎn)離端點(diǎn)，而距離端點(diǎn)“邊界距離”之內(nèi)的BFM始終保持和端點(diǎn)距離不變（圖1B-D）。

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圖1: 追蹤細(xì)胞壁錨定蛋白距離細(xì)胞端點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來解析細(xì)胞壁生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)規(guī)律

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研究人員監(jiān)測(cè)了細(xì)菌生長(zhǎng)過程中熒光BFM兩兩之間的相對(duì)距離變化（圖2A-B）。有趣的是，在細(xì)菌延伸方向上，熒光BFM兩兩之間的相對(duì)距離改變的速率與相對(duì)距離本身呈現(xiàn)正相關(guān)線性關(guān)系；而垂直于細(xì)菌延伸方向，熒光BFM兩兩之間均不存在相對(duì)距離改變（圖2C-F）。這說明沿著細(xì)菌生長(zhǎng)方向，在“活動(dòng)區(qū)”內(nèi)肽聚糖分子的插入和延伸是空間均勻的，并且細(xì)菌生長(zhǎng)過程中不會(huì)出現(xiàn)垂直于生長(zhǎng)方向的“扭動(dòng)”。

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圖2: 追蹤細(xì)胞壁錨定蛋白兩兩之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來解析細(xì)胞壁生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)規(guī)律

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在已知“活躍區(qū)”內(nèi)肽聚糖分子的插入和延伸是空間均勻后，研究人員以細(xì)胞中心為原點(diǎn)，引入新的規(guī)范化坐標(biāo)系（熒光BFM相對(duì)細(xì)胞中心的坐標(biāo)除以細(xì)胞長(zhǎng)度）。在此規(guī)范化坐標(biāo)系中，細(xì)菌生長(zhǎng)而不分裂時(shí)，每個(gè)熒光BFM的坐標(biāo)是恒定不變的。研究人員追蹤細(xì)菌經(jīng)歷細(xì)胞分裂，發(fā)現(xiàn)熒光BFM進(jìn)入子細(xì)胞后的空間位置，可由簡(jiǎn)單的Bernoulli shift map模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，滿足：

其中Ny(n)和Ny(n+1)是一個(gè)熒光BFM在規(guī)范化坐標(biāo)系中在細(xì)菌第n代和第n+1代中的坐標(biāo)位置（圖3A-E）。

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圖3：細(xì)胞壁錨定蛋白在細(xì)菌分裂前后坐標(biāo)滿足Bernoulli shift map

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研究人員探討了細(xì)菌細(xì)胞壁錨定蛋白在細(xì)胞分裂過程遵循Bernoulli shift map模型的生理意義。通過雙色熒光標(biāo)記，他們監(jiān)測(cè)了細(xì)菌分裂后新生成的BFM所處的空間位置，發(fā)現(xiàn)它們偏好于集中在細(xì)菌的中部，這可能與轉(zhuǎn)錄BFM的基因在細(xì)菌DNA上所處的位置偏向中部相關(guān)。然而，Bernoulli shift map的一個(gè)重要特性是可以很快抹去空間分布的不均勻性，于是僅僅只需經(jīng)過一次細(xì)胞分裂，就可以造成BFM在細(xì)菌表面趨向均勻的空間分布，有利于細(xì)菌游動(dòng)和趨向性。

綜上所述，這項(xiàng)研究通過追蹤細(xì)菌細(xì)胞壁錨定蛋白的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來揭示細(xì)胞壁生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)：1）細(xì)菌生長(zhǎng)過程中，細(xì)胞壁存在肽聚糖分子活躍插入的“活動(dòng)區(qū)”和沒有肽聚糖分子插入的“靜止區(qū)”；2）沿著細(xì)菌生長(zhǎng)方向，在“活動(dòng)區(qū)”內(nèi)肽聚糖分子的插入和延伸是空間均勻的；3）細(xì)菌經(jīng)歷細(xì)胞分裂，細(xì)胞壁錨定蛋白進(jìn)入子細(xì)胞后的空間位置，遵循Bernoulli shift map模型。此項(xiàng)研究對(duì)于理解細(xì)菌細(xì)胞壁生長(zhǎng)具有重要意義。

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來源：北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心