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。
在细菌学中，你最先学到的知识之一就是细菌有不同的形状。诚然，形状种类不算非常多，但主要形状有球形、杆状或螺旋形。球形细菌是有道理的，因为球体是一种相对简单的生长形状，细菌链或菌落使它们能够扩散到周围环境中。同样，杆状对于经常移动的细菌来说也是一个很好的形状，使它们在拥挤的空间中拥有更强的推进力（而且当你足够小，与大分子处于同一尺度时，每个空间都是拥挤的）。
但是，为什么要螺旋形？细菌从类似螺旋锥的形状中获得了什么好处？
因此，我非常兴奋地看到《PLoS Pathogens》最近发表了两篇文章，这两篇文章都探讨了这个问题。一篇关于空肠弯曲菌（引起细菌性腹泻），另一篇关于幽门螺杆菌（引起胃溃疡的细菌，我之前写过关于它的文章）。在这两种情况下，螺旋形都可以通过相当简单的基因敲除来破坏，并且在这两种细菌中，螺旋形的丧失都导致了毒力下降以及细菌在体内发挥功能的能力下降。
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那么，首先从空肠弯曲菌开始，我对它情有独钟，因为我在研究噬菌体时曾使用过它。
那么，首先，如何去除细菌的螺旋形。参考文献 1 中的研究人员发现了一个基因，他们称之为 pgp1（肽聚糖肽酶 1），当删除该基因时，细菌会从整洁的小螺旋变成无聊的杆状。顾名思义，pgp1 作用于肽聚糖，肽聚糖是细菌细胞壁的主要成分。当删除后，产生的杆状细菌在雏鸡体内定植的能力下降了三倍（空肠弯曲菌也是引起鸡疾病的主要原因），并且不擅长形成生物膜和一般移动。参考文献中的图 1 有一些螺旋细菌和可怜的杆状突变体的精美图片。
当涉及到生长、应激生存或在营养琼脂上的一般生存时，正常的空肠弯曲菌和 pgp1 突变体之间没有差异；螺旋形似乎只对毒力和体内生存的重要因素有影响。研究人员还制造了过表达 pgp1 的突变体，发现这也对细胞具有拉直作用（同样，图 3 中有可爱的细菌图片）。当他们取出 pgp1 基因并将其放入正常的杆状细菌（大肠杆菌）中时，形状没有变化。pgp1 产生的螺旋锥效应仅在基因位于空肠弯曲菌并以正确的水平表达时才存在，这很遗憾，因为螺旋形的大肠杆菌会很酷。
因此，空肠弯曲菌中的螺旋形似乎受一个主要基因（可能还有其他一些基因的帮助）控制，并且对致病性很重要。那么幽门螺杆菌呢？
在幽门螺杆菌中，情况略有不同。先前对失去螺旋扭曲的细菌（尽管它们仍然保持略微弯曲的形状，请记住这一点）的研究表明，在运动或游动能力方面没有差异。幽门螺杆菌生活在胃的粘液层中，人们认为螺旋形会使其更容易穿过这种粘稠物质。不太扭曲的细菌仍然表现出在定植方面的差异——扭曲的野生型细菌比更直的突变体更可能在胃粘膜上定植。
在参考文献 2 中，他们发现了一个新基因 (csd4)，该基因与细菌的弯曲形状有关，最初的非扭曲突变体仍然保持这种弯曲形状。结果表明，如果你从非扭曲突变体中敲除这个基因，细菌就会失去所有弯曲或扭曲的痕迹，并且在模拟胃粘膜的粘稠溶液中移动会困难得多。因此，与空肠弯曲菌不同，幽门螺杆菌具有两种导致螺旋形的遗传机制。一种基因通过交联细胞壁片段引起螺旋扭曲，另一种基因（参考文献 2 中确定的 csd4）独立诱导细胞弯曲。这两种机制似乎也是完全独立的，并且都促成了细胞扭曲度的增加。
因此，虽然空肠弯曲菌只有一个基因专门负责螺旋形和增加毒力，但幽门螺杆菌有两个。这可能有环境原因（空肠弯曲菌可以在更广泛的宿主中生存），但由于它们是相当不相关的细菌，可能只是因为螺旋形在幽门螺杆菌中存在的时间更长，幽门螺杆菌已经获得了不止一种产生螺旋形的机制（如果有人知道更多原因，请给我发电子邮件告诉我！）。 显而易见的是，细菌具有非常充分的理由来呈现它们现在的形状，并且这些形状不仅仅限于球形团块。
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图片来源链接，图片 1（细菌形状）
图片来源链接，图片 2（弯曲杆菌）
图片来源链接，图片 3（幽门螺杆菌）
参考文献 1：Frirdich E, Biboy J, Adams C, Lee J, Ellermeier J, Gielda LD, Dirita VJ, Girardin SE, Vollmer W, & Gaynor EC (2012)。肽聚糖修饰酶 Pgp1 是空肠弯曲菌螺旋细胞形状和致病性状所必需的。《PLoS pathogens》，8 (3) PMID：22457624
参考文献 2：Sycuro LK, Wyckoff TJ, Biboy J, Born P, Pincus Z, Vollmer W, & Salama NR (2012)。多种肽聚糖修饰网络调节幽门螺杆菌的细胞形状、运动性和定植潜力。《PLoS pathogens》，8 (3) PMID：22457625