科学家们发现了细菌是如何利用液态蛋白质液滴来克服压力的

【字体: 时间:2021年10月21日 来源:Science Advances

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  科学家揭示了细菌如何从蛋白质中生成微小液滴,以帮助它们在恶劣的环境中生存,从而降低它们被抗生素杀死的几率。由液-液相分离形成的无膜细胞器增加了细菌的适应性,这一研究发表在《科学进展》杂志上。

  

科学家揭示了细菌如何从蛋白质中生成微小液滴,以帮助它们在恶劣的环境中生存,从而降低它们被抗生素杀死的几率。

该研究揭示了聚集体(由几种不同的蛋白质组成的微小液滴)是如何在细菌所经历的压力增加时形成的,这些细菌可以形成更成功地在这些压力下生存的聚集体。

由约克大学和北京大学的科学家共同领导的研究小组发现,环境压力与细菌内一种叫做ATP的化学物质水平的降低有关。ATP被称为“细胞能量的通用货币”。据认为,这种减少可能会影响关键细胞蛋白的溶解度,促使它们聚集成液滴。

这项研究可能有助于解决某些类型的细菌如何在抗生素的长期治疗下存活下来,并通过基因突变增加对抗生素形成完全耐药性的可能性的谜题。

通过使用先进的光学显微镜和计算模型,研究人员表明液滴的形成是由“液-液相分离”物理学解释的。科学家们说,溶液中分子之间的吸引力驱使它们聚集在一起,形成具有有趣的液体特性的半稳定组合,在聚集体的情况下,它由多达几百个不同的蛋白质分子组成。胶凝体内的分子像在任何液体中一样可以自由移动,并与胶凝体外的其他分子一起翻转。

通过将对核心细胞过程至关重要的蛋白质组装成液滴,细菌可以在细胞关闭时有效地储存它们,在有害环境消退时保持它们的安全,同时帮助细胞再次恢复。

该研究的主要作者之一、约克大学物理系和生物系的马克·利克教授说:“我们的研究表明,细菌中的聚集体是高度动态的结构;它们就是我们所说的“细胞器”,但它们的外部缺少一种膜,而这种膜我们通常会在更深入研究的细胞器中找到,比如我们自己细胞中的细胞核。

“依赖膜结合细胞器等更固定的结构太慢了:它们不能让细菌对快速变化的环境做出足够快的反应,因为细胞膜的形成和破裂以及选择哪些分子成分可以进入和离开需要时间。”聚合体通过完全不使用膜来克服这个问题。相反,值得注意的是,细菌已经适应了液体中相分离的基本物理原理来帮助它们生存。”

一个由来自生物物理学、微生物学、遗传学、数学和计算机科学等多个学科的研究人员组成的国际团队对这项研究做出了贡献。

该团队使用聚合体蛋白分子上的荧光标签来追踪它们在大肠杆菌活细胞中的位置,这与在我们的肠道中发现的非常相似。他们采用数学建模和计算机模拟来确定液-液相分离是如何导致观察到的高度动态的蛋白质液滴形成的。

Leake教授补充说:“我们可以获得这种新的理解的唯一方法就是通过一个大型团队跨多个学科的专业知识,在实验中使用先进生物物理学从我的团队,创新的理论方法从汤姆·麦克利什的球队在纽约,和先进的细菌遗传学扇白集团在北京。

“就像我们在这里所做的那样,对这些了不起的生物液滴在单个分子规模下的工作原理进行研究,可能会帮助我们理解为什么在某些疾病中事情会出错,不仅是由细菌引起的,而且在免疫系统和痴呆症的条件下,似乎涉及液滴状分子聚集。这可能有助于为研制新的药物铺平道路,这些药物可以防止某些液滴的形成,也可以针对它们的分解。”

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笔记编辑

由液-液相分离形成的无膜细胞器增加了细菌的适应性,这一研究发表在《科学进展》杂志上。这项研究由生物和生物技术研究委员会、工程和物理科学研究委员会、英国皇家学会和中国科学基金会资助。

来自英国约克大学、纽卡斯尔大学和中国北京大学的国际研究团队参与了这项研究。

Jin等人,Sci。放置2021;7: eabh2929

 


杂志

科学的进步

研究的主题

细胞

文章标题

由液-液相分离形成的无膜细胞器增加了细菌的适合度

文章出版日期

10月20 - - 2021

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