谷氨酸棒杆菌PS2 S层的冷冻电镜结构解析与极性组装机制研究

本研究通过冷冻电镜（cryo-EM）首次解析了谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）PS2 S层的原子级结构，揭示其伞状六聚体核心与三聚体臂的独特组装模式。该S层通过C端跨膜螺旋锚定于分枝菌酸膜（mycomembrane），形成半渗透晶格结构，并创新性开发SpyTag标记技术证实其极性生长特性，为细菌表面工程及生物材料应用提供新思路。

　　

谷氨酸棒杆菌PS2 S层的结构与功能解析

引言

谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）作为工业氨基酸生产的模式菌株，其细胞表面覆盖着由PS2蛋白构成的S层（Surface layer）。这类蛋白晶格结构在细菌适应环境压力中扮演多重角色，但其分子机制长期未明。本研究结合冷冻电镜、遗传工程与活细胞成像，系统揭示了PS2的原子结构、组装动力学及生理功能。

结构特征：伞状单元与膜锚定机制

通过3D冷冻电镜重构，PS2单体呈现"香蕉形"全α螺旋结构，分为六螺旋束核心（H1-H3, H6-H8）和三螺旋束臂（H3-H5）。六聚体核心通过H8螺旋形成膜锚定通道样 coiled-coil，嵌入约5 nm厚的分枝菌酸膜（mycomembrane），而三聚体臂介导晶格间连接，形成P6对称的六边形孔（直径76 ?）和三角形孔（面积3.6 nm²）。值得注意的是，C端27个残基（含跨膜锚定域MA）虽未在结构中解析，但AlphaFold预测其形成3.6 nm螺旋，完全穿透膜结构。

工程化改造：SpyTag标记与生物材料潜力

在H3插入环（残基162-171）引入SpyTag的PS2^SpyTag突变体，成功实现与SpyCatcher-mCherry的共价结合，且不影响晶格组装。体外重组实验显示，仅含组装域（PS2^AD，残基30-483）即可自发性形成二维晶格，而全长PS2^FL则与脂质体结合，证实MA结构域决定膜靶向特性。这一技术为细菌表面展示系统开发奠定基础。

生理功能：机械支撑与抗胁迫屏障

尽管缺失PS2的菌株在正常条件下生长无差异，但S层显著增强对溶菌酶（100 μg/mL）的抗性：表达PS2的菌株在8小时处理后存活率提高10倍。静电分析表明，PS2表面富含负电荷（pI=4.21），可能通过吸附带正电的溶菌酶（pI=9.3）发挥保护作用。此外，S层还改变细胞沉降特性，促进静态培养中的絮凝现象。

动态组装：与极性生长的时空耦合

脉冲-追踪实验揭示PS2的独特组装模式：新合成的S层专一性定位于细胞极区，与DivIVA介导的肌动蛋白样 elongasome 共定位。分裂过程中，新生的V型极区暂时无S层覆盖，直至分裂完成后才启动组装。这种非扩散性生长模式与横向生长的细菌（如大肠杆菌）形成鲜明对比，反映了分枝杆菌极性生长机制的适应性进化。

进化溯源：基因水平转移的痕迹

系统发育分析显示PS2基因（cspB）在棒杆菌属中呈散在分布，仅4.25%的基因组含有同源序列。基因座比较发现cspB常位于可移动遗传元件侧翼，其旁侧序列在近缘物种中差异显著，提示该基因可能通过多次重组事件获得或丢失。

应用前景

PS2 S层的模块化结构为设计膜支撑自组装材料提供了理想模板，其极性组装特性可指导合成生物学器件的空间定位。工程化菌株在生物发酵中的絮凝行为改良，以及SpyTag介导的表面蛋白展示技术，为工业生物技术开辟了新路径。

（注：全文数据均源自原文实验，包括冷冻电镜结构PDB 9GK2、EMDB 51414，及菌株ATCC13032与ATCC21086的对比分析）