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”（通過追蹤細胞壁錨定蛋白運動揭示細菌細胞壁生長規(guī)律）。

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

在這項研究中，研究團隊創(chuàng)新思維，通過追蹤細菌細胞壁錨定蛋白的相對運動來間接推斷細胞壁生長的動態(tài)規(guī)律。研究人員使用Alexa 594熒光染料對細菌鞭毛分子馬達（bacterial flagellar motor, BFM）進行了熒光標(biāo)記。BFM是典型的固定于細菌細胞壁上的蛋白質(zhì)復(fù)合物，在一個細胞中有5-10個BFM分布。由于它們緊密地固定于細胞壁上，因此細菌細胞壁的生長可以通過在活細胞上監(jiān)測這些熒光“錨點”之間相對距離的變化而得以解析（圖1A，圖2A-B）。

研究人員觀測了細菌生長過程中熒光BFM相對細菌一個端點的距離變化。有趣的是，細菌細胞壁的延伸似乎存在一個明確的邊界，分隔開肽聚糖分子活躍插入的“活動區(qū)”和沒有肽聚糖分子插入的“靜止區(qū)”。支持這一結(jié)論的實驗證據(jù)是伴隨著細菌細胞的生長，距離端點“邊界距離”之外的BFM會逐漸遠離端點，而距離端點“邊界距離”之內(nèi)的BFM始終保持和端點距離不變（圖1B-D）。

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圖1: 追蹤細胞壁錨定蛋白距離細胞端點的相對運動來解析細胞壁生長的動態(tài)規(guī)律

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

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圖2: 追蹤細胞壁錨定蛋白兩兩之間的相對運動來解析細胞壁生長的動態(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，研究人員以細胞中心為原點，引入新的規(guī)范化坐標(biāo)系（熒光BFM相對細胞中心的坐標(biāo)除以細胞長度）。在此規(guī)范化坐標(biāo)系中，細菌生長而不分裂時，每個熒光BFM的坐標(biāo)是恒定不變的。研究人員追蹤細菌經(jīng)歷細胞分裂，發(fā)現(xiàn)熒光BFM進入子細胞后的空間位置，可由簡單的Bernoulli shift map模型進行預(yù)測，滿足：

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

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

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研究人員探討了細菌細胞壁錨定蛋白在細胞分裂過程遵循Bernoulli shift map模型的生理意義。通過雙色熒光標(biāo)記，他們監(jiān)測了細菌分裂后新生成的BFM所處的空間位置，發(fā)現(xiàn)它們偏好于集中在細菌的中部，這可能與轉(zhuǎn)錄BFM的基因在細菌DNA上所處的位置偏向中部相關(guān)。然而，Bernoulli shift map的一個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)過一次細胞分裂，就可以造成BFM在細菌表面趨向均勻的空間分布，有利于細菌游動和趨向性。

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

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