科学家揭示细菌气体囊泡的分子结构

与潜艇或鱼鳔中的压载舱的功能类似，许多水基细菌使用气体囊泡来调节其漂浮性。在《细胞》杂志的一篇新出版物中，来自生物纳米科学和成像物理学系的科学家现在首次描述了这些囊泡的分子结构。这些气体囊泡最近也被重新用作超声成像的造影剂。

气体囊泡(GV)是中空的圆柱形纳米结构，由薄的蛋白质壳制成，充满气体。与潜艇或鱼鳔中的压载舱的功能相似，许多水基细菌使用这些结构来调节其漂浮性。“例如，某些蓝藻使用气体囊泡漂浮到表面以收集光用于光合作用，这种现象有时在有毒藻华中大规模出现，”生物纳米科学系助理教授Arjen Jakobi说。

保持漂浮

这种结构有非常具体的要求：为了使细菌保持漂浮，GV必须占据细胞的很大一部分，这涉及形成超过数百纳米大小的隔室。为了最大限度地提高可漂浮性，外壳必须由最少的材料制成。同时，壳体需要提供对周围水压的抵抗力，以保持随着水深变化而漂浮的能力。因此，GV已经进化为由单个蛋白质组成的刚性薄壁结构，该蛋白质重复数千次以形成GV外壳。

“尽管付出了巨大的努力，但GV的分子结构以及因此对其独特性质的分子水平理解仍然难以捉摸，”Jakobi实验室的博士候选人Stefan Huber说。“但是，高度先进的电子显微镜硬件和图像处理算法的最新发展使我们能够在几乎原子的细节上解决这种结构。我们现在可以展示GV外壳的低温电子显微镜(cryo-EM)结构，提供对GV如何生长以及使细菌漂浮的独特进化适应的详细见解。

罐头罐

气体囊泡蛋白GvpA具有波纹壁结构，典型的受力薄壁圆柱体，类似于锡食品罐的带肋金属板。小孔使气体分子能够在壳中移动，而气体囊泡内表面的化学特性有效地排斥水。这种设计允许GV选择性地填充气体。对各种不同细菌物种的比较表明，气体囊泡的基本设计在整个进化过程中保持不变。

该结构提供了对细菌进化的特殊分子特征的迷人见解，使它们能够在水环境中漂浮，并且它揭示了纳米级的巧妙工程原理，这些原理是在压力下保持薄的空心结构所必需的。

超声波

该研究还将促进用于超声成像的气体囊泡的分子工程。“在这项研究中，我们与成像物理系的David Maresca实验室合作，他与我们联系，以可视化他实验室产生的气体囊泡，”Jakobi说。在Maresca的实验室中，博士候选人Dion Terwiel旨在通过调整其遗传密码，使用气体囊泡造影剂进行超声成像。充气GV和周围细胞结构之间的高密度对比度使它们在超声图像中明亮，并且它们的特殊性质是当前造影剂的潜在改进。“我们获得的见解使我能够更精确地重新设计这些声学生物分子，”Terwiel说。

“自2014年以来，人们对气体囊泡重新产生了兴趣，因为它们可以作为超声波的'绿色荧光蛋白'。了解气体囊泡结构将有助于我们设计声学生物传感器，以便'监视'深入组织的生物过程，“Maresca补充道。