编辑推荐：
研究人员聚焦谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum），揭示其细胞生物学特性，助力生物技术生产与抗菌研究。
在微生物的奇妙世界里，有许多 “隐藏的冠军”，它们默默发挥着巨大作用，却鲜为人知。谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）便是其中一员，它作为 2025 年的年度微生物，在生物技术领域尤其是氨基酸大规模生产中占据着举足轻重的地位。随着研究的深入，它更是从一个重要的生产菌株摇身一变，成为细菌细胞生物学研究的热门模型生物。
长久以来，科学家们致力于探索微生物的奥秘，期望能挖掘它们更多的价值。在氨基酸生产方面，如何提高产量、优化生产过程一直是研究的重点。而在基础生物学研究中，对于细菌细胞的生长、分裂、应对环境压力等过程的深入理解，也有助于开发新的抗菌药物以及揭示生命的基本机制。谷氨酸棒杆菌因其独特的生物学特性，成为了解开这些谜题的关键钥匙。
来自德国基尔大学普通微生物学研究所（Institut für Allgemeine Mikrobiologie, Universit?t Kiel）的 Marc Bramkamp 团队，对谷氨酸棒杆菌展开了一系列深入研究。他们的研究成果发表在《BIOspektrum》上，为我们打开了一扇了解谷氨酸棒杆菌的新窗口，也为相关领域的发展提供了重要的理论支持。
在研究过程中，团队运用了多种关键技术方法。电子显微镜技术是其中的重要手段，通过透射电子显微镜和扫描电子显微镜，研究人员得以直观地观察谷氨酸棒杆菌的细胞形态、细胞壁结构以及细胞分裂过程中的细微变化。此外，基因组范围的筛选方法，如转座子测序，帮助他们发现了细胞壁合成机制中的新成分。荧光标记技术则用于追踪活跃的细胞壁合成过程，让研究人员能够清晰地看到新合成的细胞壁在细胞中的生长情况。
下面让我们详细了解一下他们的研究结果：
- 独特的细胞壁结构：谷氨酸棒杆菌属于革兰氏阳性放线菌（Actinobacteria）中的分枝杆菌目（Mycobacteriales），拥有非常复杂的多层细胞壁。最内层是肽聚糖（Peptidoglykan）厚壁，与其他放线菌相同；肽聚糖层之上是阿拉伯半乳聚糖（Arabinogalaktan），其分支结构末端与分枝菌酸（Mycols?uren，一种 2 - 烷基 - 3 - 羟基脂肪酸）酯化。分枝菌酸的长烷基链使其具有疏水性，由海藻糖（Trehalose）与分枝菌酸形成的外层膜 —— 分枝菌膜（Mycomembran），为细胞提供了一定的保护，抵御水溶性抗生素和其他压力因素。此外，PS2 蛋白组成的 S 层（S - Layer）进一步稳定了分枝菌膜，S 层蛋白在生物技术和合成生物学领域具有巨大潜力。
- 独特的生长方式：谷氨酸棒杆菌呈棒状，其细胞壁在细胞极处生长，这与经典模式生物大肠杆菌（Escherichia coli）和枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）在侧面生长的方式截然不同。支架蛋白 DivIVA 控制着细胞壁合成机制（Elongasom），它在负膜曲率区域积累，将细胞壁合成蛋白定位到细胞极。研究发现，谷氨酸棒杆菌的生长呈现双相性，被称为 “渐近线性” 生长，这是由于新分裂后旧细胞极的细胞壁生长速度明显快于新细胞极，随着细胞周期的进行，这种不对称性逐渐平衡，使得单细胞生长呈线性。虽然单个细胞的分裂对称性和生长时间差异很大，但群体层面的细胞大小变化相对较小。
- 特殊的细胞周期和染色体组织：谷氨酸棒杆菌在所有测试的生长条件下至少是二倍体，其两个染色体的复制起点通过 ParB 蛋白与细胞极结合，ParB 蛋白与复制起点附近的 DNA 结合后，再与极性支架蛋白 DivIVA 相互作用。DNA 复制起始后，通过 ParAB 主动运输系统将一份 DNA 拷贝沿着现有染色体运输到细胞中部，确保染色体的正确分配。谷氨酸棒杆菌生长速度适中，在理想条件下，新的 DNA 复制轮次可在先前的染色体复制完成前启动，保证子细胞获得完整基因组，并在 DNA 受损时可通过同源重组进行修复。
- 与危险病原体的关系：谷氨酸棒杆菌对人类和其他生物完全无害，但其部分近亲却具有致病性。例如，白喉棒杆菌（C. diphtheriae）曾是儿童的 “夺命天使”，它会产生白喉毒素，抑制蛋白质生物合成，导致器官衰竭和死亡。此外，产毒素的前噬菌体也存在于其他棒杆菌属物种中，如溃疡棒杆菌（C. ulcerans）和假结核棒杆菌（C. pseudotuberculosis），它们可从动物传播给人类，属于新兴病原体。同时，谷氨酸棒杆菌与结核分枝杆菌（M. tuberculosis）等分枝杆菌属物种有亲缘关系，结核分枝杆菌是肺结核的病原体，全球约有 1000 万人感染，每年约 150 万人死于肺结核。利用分枝杆菌和棒杆菌细胞壁结构的相似性，有助于深入了解抗结核药物的作用机制。
综合上述研究，谷氨酸棒杆菌在细菌细胞生物学研究中展现出巨大的价值。它独特的细胞壁结构、生长方式、细胞周期和染色体组织等特性，为我们理解细菌的基本生物学过程提供了新的视角。在生物技术领域，对其细胞生物学特性的深入了解有助于优化氨基酸生产过程，提高产量和质量。同时，作为与致病微生物有亲缘关系的非致病菌，它为抗菌药物的研发和作用机制研究提供了理想的模型。未来，随着现代高通量方法和高分辨率显微镜技术的进一步应用，有望在谷氨酸棒杆菌的研究中取得更多令人瞩目的成果，为生物技术和医学领域的发展带来新的突破。
