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细菌细胞内过程的时空协调机制不明，研究人员借助超分辨率显微镜（SMLM）开展细菌组织相关研究。结果发现大肠杆菌拟核（Nukleoid）新构型，或需重新审视细菌组织模式。该研究为理解细菌生理和抗菌治疗提供新视角。
在微观的细菌世界里，细菌细胞虽小，却如一个精密运转的微型工厂，内部各种生命活动复杂且有序地进行着。细胞内的 DNA 复制、转录、蛋白质合成以及细胞壁合成等过程，都必须在空间和时间上精准协调。然而，长期以来，科学家们想要深入了解这些微观过程却困难重重。传统的显微镜技术，由于细菌细胞体积微小，再加上光的分辨率限制，就像是给研究者们戴上了一副模糊的眼镜，只能提供模糊不清的图像，许多重要的细胞活动细节被隐藏在这团迷雾之中。比如，细菌染色体（大部分细菌拥有单个环形染色体）的复制与分离过程，和真核细胞不同，它们是同时进行的，甚至部分复制周期还会重叠，而且这一过程还和细胞内其他如蛋白质合成、细胞壁合成等活动相互关联。此外，外界的营养物质丰富度、温度、抗生素等因素也会对细菌细胞的生理活动和内部组织产生影响。但这些不同过程之间究竟是如何相互作用的，外界因素又具体怎样影响细菌细胞，这些问题一直没有得到充分的研究。
为了揭开这些隐藏在黑暗中的奥秘，德国维尔茨堡大学鲁道夫 - 菲尔绍中心（Rudolf - Virchow - Zentrum, Universit?t Würzburg）的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《BIOspektrum》上，为我们理解细菌的内部世界带来了新曙光。
研究人员主要运用了单分子定位显微镜技术（single - molecule localization microscopy，SMLM） 。这项技术就像是给显微镜装上了一个超级高清镜头，能够将空间分辨率提升到几纳米，突破了传统显微镜的限制，让研究者可以清晰地观察到细菌细胞内单个分子的活动情况。通过它，研究人员可以研究单个细菌细胞如何组织其 DNA、定位特定蛋白质，以及如何对抗生素做出反应等关键问题。
研究结果
- 大肠杆菌拟核的组织结构：利用 SMLM 技术，研究人员对大肠杆菌进行观察。在最优条件下（如在 LB 培养基中生长、处于指数生长期），大肠杆菌细胞拥有充足的营养物质，大部分能量可用于合成新的蛋白质。此时，超过 80% 的 RNA 聚合酶分子都位于拟核（Nukleoid，细菌染色体 DNA 的总称）上，积极转录基因。研究还发现，DNA 并非像之前认为的那样在细胞内均匀分布，而是存在高度浓缩区域，并且在细胞内有着精确的定位。通过三维成像观察快速生长的大肠杆菌拟核时，得到了令人惊讶的结果：拟核呈现出浓缩的 DNA 细丝状结构，这些细丝一直靠近细胞内膜，而细胞中心则是一个无 DNA 的空间。
- 拟核与细胞膜的锚定机制：细菌内许多过程相互关联，如蛋白质可以在翻译的同时被转运或整合到细胞膜中（共翻译插入 / 转运，kotranslationale Insertion/Translokation），转录和翻译也可以偶联（共转录翻译，kotranskriptionale Translation） 。20 多年前，Conrad Woldringh 提出了一个假设，即转录、翻译和膜插入这三个过程可能通过一个共同的机制相互连接，他将这个过程称为 “Transertion”（由参与的三个过程组合而成的新词）。如果大量蛋白质通过 Transertion 整合到细胞膜中，这可能会在拟核和细胞膜之间建立一种间接且动态的联系。为了验证这一假设，研究人员进行了一系列实验。他们发现，用利福平抑制转录或者用氯霉素抑制翻译，在 2 - 10 分钟内，拟核与细胞膜的锚定就会逐渐消失；然而，当抑制细胞壁合成时，虽然细胞形态发生了改变，但拟核仍然靠近细胞膜。这表明，转录、翻译与拟核在细胞膜附近的定位密切相关，而细胞壁合成对拟核定位的影响较小，一定程度上支持了 Transertion 假设。
- Transertion 的靶向性：在研究 Transertion 的过程中，研究人员还提出了一个有趣的问题：这个过程是在细胞膜的随机位置发生，还是存在特定的 “热点” 区域呢？他们观察到，快速生长的大肠杆菌拟核不仅靠近细胞膜，还在空间上接近肌动蛋白同源物 MreB，而 MreB 是细胞壁合成机器（Elongasomen）的重要组成部分。蛋白质合成与细胞壁合成之间的这种空间接近性非常值得关注，因为这不仅可能揭示细菌组织的新层面，还有望为开发新型抗菌治疗方法提供理论基础。不过，目前这种空间接近性是否意味着两者之间存在相互作用，以及这种相互作用的具体形式，还需要进一步研究。
研究结论与讨论
这项研究借助超分辨率显微镜技术（SMLM），为我们呈现了大肠杆菌拟核前所未有的构型，这一发现可能促使科学家重新审视对细菌组织的认知。目前，仍有许多问题有待进一步探索。例如，观察到的染色体组织模式在不同细菌物种中的普遍程度如何；其潜在机制对细胞生理学有怎样的影响；Transertion 复合物的精确分子组成又是怎样的。近期美国的一项研究表明，副溶血性弧菌（Vibrio parahaemolyticus）的 T3SS2 分泌机器（其毒力所必需的针状复合物）很可能是通过 Transertion 整合到细胞膜中的，这进一步凸显了这些问题的重要性。
此外，超分辨率显微镜技术（SMLM）在生命科学研究中还有着巨大的潜力。它可以帮助我们深入了解大型分子复合物的组成和排列，比如细胞壁合成机器、分子凝聚物等。总体而言，这项研究为我们理解细菌的组织方式提供了宝贵的信息，将我们对细菌组织的认识提升到了一个新的分子水平，为未来的抗菌药物研发、细菌生理学研究等领域开辟了新的方向，有望带来更多突破性的成果。
