细菌利用巨大锚定物招募硅藻参加冰上派对

本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点

有时候，你的朋友需要一点说服才会出现在你努力计划的社交活动中。海洋单胞菌（Marinomonas primoryensis）不会冒险。它会部署由单个巨型蛋白质制成的长而粘的抓钩，将其硅藻和细菌朋友捆绑在一起进行社交，然后将每个人都粘在它们家园顶部漂浮的冰的下面。它知道，一旦你到了派对，你就会完全很高兴你做了……呃……努力。

它的家园是南极洲的

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王牌湖，一个咸的、寒冷的、分层的湖泊，位于澳大利亚南部伊丽莎白公主地的维斯福尔德山。王牌湖非常黑暗。光线只能穿透几码，氧气只能到达40英尺。这对某些细菌和所有的硅藻来说都是个问题，硅藻是一种具有复杂而美丽的玻璃壳的微生物，需要光来制造食物。这对马里诺莫纳斯来说尤其是一个问题，它依赖于藻类和硅藻产生的氧气和营养物质来生存。

由于重力的作用，如果没有某种帮助，所有这些生物都会沉入令人窒息的黑暗之中。然而，南极洲就是南极洲，有一个现成的救生圈漂浮在表面，那里的光子最多，氧气自由流动，如果你能以某种方式将自己附着在上面就好了。

但是，把自己单独粘在冰上仍然会带来一个问题：表面不是一个固定的目标，它会不断地消长。很容易失去对这样一个光滑的救生圈的控制。但是，如果你和许多其他细菌手牵着手，那么每个人同时失去控制的几率很小。

由此产生的“派对”实际上是一个混合物种群落，被称为

生物膜。生物膜在水生环境中无处不在，从河床上的鹅卵石到你淋浴间的瓷砖（和淋浴喷头！），再到你必须每天从牙齿上擦去的薄膜。在形成生物膜的环境中，牢固地抓住彼此以及你所附着的表面对于使其发挥作用至关重要。在王牌湖中，其结果是“共生微群落”，细菌和硅藻都可以从在阳光充足的顶层公寓中成为邻居中受益。

这些细菌如何完成这项壮举也许是最令人惊奇的：它们通过其侧面的孔部署巨大的冰锚，这些孔由长达600纳米（0.6微米）的单个蛋白质制成。这与一些

最小的细菌一样大，是许多其他细菌大小的一半。已知最大的蛋白质——一种名为肌联蛋白的人类肌肉蛋白质——具有380万道尔顿的质量、244个蛋白质折叠域和超过1微米的长度。冰锚，有点笨拙地称为海洋单胞菌冰结合蛋白，具有150万道尔顿的质量，以及130多个蛋白质折叠域。与在明显比肌联蛋白大得多的生物体中发现的人类肌肉蛋白不同，冰锚附着在一个仅比蛋白质本身长约三倍的生物体上。

在8月份发表在《科学进展》上的一篇论文中，一个由加拿大、荷兰和以色列科学家组成的团队报告了这种巨大蛋白质的完整结构，该蛋白质分为5个主要区域。之前已经描述了区域II和IV的结构，但I、III和V是新领域。

在冰锚合成后，它以某种方式避免立即折叠。整个巨型蛋白质在细胞膜中找到一个孔蛋白，然后在它仍然未折叠的状态下穿过针眼。科学家推断出这一点，因为蛋白质最有可能突出的孔太窄，无法容纳折叠的蛋白质。一旦暴露于盐水，其中发现的钙离子就会帮助蛋白质正确折叠并成为其结构的一部分。

是什么阻止了蛋白质简单地漂浮到水中？区域/结构域I包含一个塞子，该塞子太大而无法穿过孔，并像纽扣将衬衫闭合一样将锚固定在细菌内部。也许塞子是在蛋白质的其余部分之前以某种方式折叠的。

区域II是由约120个相同亚基组成的长链，它们充当吊杆，大大扩展了这些细菌的范围。它占整个蛋白质的90%。

区域III包含两个可以结合其他海洋单胞菌和硅藻的对接端口。其中一个对接端口结合碳水化合物。它在许多其他酵母和细菌中发现，并帮助酵母执行一种称为絮凝的著名动作，从某种意义上说，这与海洋单胞菌试图完成的事情相反。当食物耗尽时，酵母会利用其对接端口结合彼此外部的碳水化合物。它们会凝结并沉到液体底部，因为它们的集体重量增加了。这种生存策略仅被野生酵母偶尔使用，但

多年来，啤酒酿造者选择具有絮凝能力的酵母菌株，以便在装瓶前澄清啤酒。

另一个对接端口与蛋白质结合，并且类似于在霍乱弧菌上发现的一个对接端口，该端口帮助其在人类宿主的肠道中定殖。

这两个对接端口都可能结合其他海洋单胞菌细菌。该团队使用工程设计成在黑暗中发光的海洋单胞菌对接端口进行的实验表明，它们绝对会与硅藻结合。当科学家将海洋单胞菌细菌与称为新月菱形藻的硅藻放在一起时，细菌会粘附在硅藻上（第二种硅藻圆柱形脆杆藻无法被海洋单胞菌捕获）。

整个质量最终也粘附在实验室培养物中存在的任何冰上。一旦在那里固定下来，这团生物体就无法被流动的水移除。硅藻本身没有显示出粘附在冰上的能力。

区域IV是实际的冰锚，它形成一个由氨基酸组成的面板，巧妙地将水分子排列成类似冰的模式。当这种“预冰”阵列接触到实际的冰时，它会冻结并退火。哇！我认为这真是太棒了。

区域V是第一个在从细菌中挤出时遇到海水的区域，它可能有助于蛋白质的其余部分正确折叠。它还包含引导未折叠蛋白质到达适当孔的序列。

作者创建的此图像总结了他们的发现。右侧的面板有点难以阅读，因此下面有一个放大图。

作为一个整体，冰锚与许多病原体用来形成它们自己的（从我们的角度来看）更邪恶的生物膜的蛋白质具有密切的化学亲缘关系。这些蛋白质被称为重复序列毒素粘附素，被诸如霍乱弧菌（霍乱）、鼠伤寒沙门氏菌（沙门氏菌）和一些假单胞菌细菌等臭名昭著的杀手用来做它们的肮脏勾当。它们共享膜锚的整体结构；长的、重复的延伸器；以及远端的结合和孔靶向区域。

尽管病原体很重要，但对其粘附素的结构的细节、它们如何保持附着在细菌上以及它们到底附着在哪些生化物质上了解不多。蛋白质的巨大尺寸和那些讨厌的重复序列使得分析变得困难。

作者认为，了解海洋单胞菌冰锚的结构可能是找出如何使病原细菌用来定殖和利用我们的这些类似构建的抓钩失效的第一步。事实上，科学家们能够通过堵塞冰锚的附着板来产生抗体，阻止海洋单胞菌在实验室中结合冰。破坏一些可怜的冰细菌的派对似乎很蹩脚，但它最终可能帮助我们关闭其他派对，这些派对太过疯狂，以至于对它们的宿主是致命的。

参考

郭帅旗、科里·A·史蒂文斯、泰勒·D·R·万斯、卢克·L·C·奥利耶夫、劳里·A·格雷厄姆、罗伯特·L·坎贝尔、赛义德·R·亚兹迪等。“将南极细菌与硅藻和冰结合的1.5 MDa粘附素的结构”。《科学进展》3，第8期（2017）：e1701440。