(A） Alphafold預(yù)測的BW-28的Mad1三維結(jié)構(gòu)模型。結(jié)構(gòu)中標明了四個肌動蛋白結(jié)構(gòu)域 Ia、Ib、IIa 和 IIb。（B） 純化的 N 端 His 標簽的 Mad28 的 SDS-PAGEBW-1型來自大腸桿菌。（C）Mad28的體外聚合BW-1型在存在 ATP-γ-S 且沒有 ATP （D） 的情況下，通過 TEM 可視化。比例尺，100 nm。圖片來源：mBio （2023）。DOI： 10.1128/mbio.01649-23

由拜羅伊特微生物學(xué)家Dirk Schüler領(lǐng)導(dǎo)的德法研究小組在《mBio》雜志上介紹了磁性細菌中蛋白質(zhì)功能的新發(fā)現(xiàn)。該研究基于在同一期刊上發(fā)表的先前結(jié)果。

在這項研究中，拜羅伊特的科學(xué)家們使用Magnetospirillum gryphiswaldense物種的細菌來破譯基因的功能，這些基因可能參與了其他難以獲得的磁性細菌中磁小體的生物合成。

磁小體鏈就像羅盤針一樣

磁性細菌在其細胞內(nèi)含有由鐵礦物納米晶體組成的磁性顆粒。這些細胞器樣顆粒在研究中被稱為磁小體。就像鏈條中的鏈接一樣，這些粒子中有 20 多個有規(guī)律地一個接一個地排列。單個晶體的磁矩相加，使得鏈（類似于羅盤針）具有磁傳感器的功能：它將細菌細胞對準地球相對微弱的磁場。

鏈的結(jié)構(gòu)和空間排列由顆粒附著的纖維支撐。這些細胞骨架纖維的主要成分是蛋白質(zhì)MamK，它們就像一個穩(wěn)定的支架。它屬于肌動蛋白家族，存在于所有已知的磁性細菌中，但在大多數(shù)非磁性細菌中也有功能完全不同的親戚。

基因轉(zhuǎn)移克服了研究障礙

肌動蛋白 MamK 在 M. gryphiswaldense 物種的磁性細菌中執(zhí)行的功能已經(jīng)在以前的研究中進行了廣泛的研究：它對鏈形成過程有顯著影響，并導(dǎo)致鏈準確定位在細菌細胞的中間。在細胞分裂過程中，這確保了磁小體鏈被一分為二，并且兩個子細胞接收長度相等的部分。

然而，到目前為止，人們對其他種類的磁性細菌是否以同樣的方式依賴MamK進行磁小體生物合成，或者它們是否為此目的使用其他蛋白質(zhì)甚至機制知之甚少。研究人員對這個問題特別感興趣，尤其是出于以下原因：許多其他種類的磁性細菌產(chǎn)生磁體和磁體鏈，這些磁體和磁小體鏈在晶體構(gòu)建塊的形狀和大小以及細胞排列方面與 M. gryphiswaldense 有很大不同。

關(guān)于在M. gryphiswaldense中揭示的生物合成機制在多大程度上具有普遍性的問題仍未得到解決，主要是因為對許多其他種類的磁性細菌進行必要的研究非常困難：在某些情況下，所討論的磁性細菌不適合進行遺傳研究;在其他情況下，泥棲生物不能在實驗室中生長。

M. gryphiswaldense的突變體產(chǎn)生外來蛋白質(zhì)

發(fā)表在mBio上的新研究提出了一種規(guī)避這些困難的新方法。拜羅伊特的研究人員在之前發(fā)表在mBio上的一項研究中為此奠定了基礎(chǔ)。在這里，他們成功地表達了控制外來磁性細菌中磁小體產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，即 M. gryphiswaldense 突變體。引入的蛋白質(zhì)甚至可以被證明可以取代M. gryphiswaldense自身蛋白質(zhì)的功能，這些蛋白質(zhì)的基因以前已被消除，從而證明了磁小體形成中外來蛋白質(zhì)的功能平等。

在他們的新研究中，來自拜羅伊特大學(xué)，艾克斯 - 馬賽大學(xué)和里昂大學(xué)的微生物學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)將這種有前途的方法應(yīng)用于肌動蛋白，這些肌動蛋白被懷疑對其他磁性細菌中磁小體的連接具有控制性影響。M. gryphiswaldense的突變體產(chǎn)生了這些外來肌動蛋白，現(xiàn)在可以研究其功能。

事實證明，所有研究的外源肌動蛋白都影響了鏈的形成。有些甚至能夠生產(chǎn)與M. gryphiswaldense中的“原始鏈”非常相似的鏈條支架。此外，先前發(fā)現(xiàn)的一種稱為Mad28的遠親新型肌動蛋白樣蛋白被證明能夠支持細胞骨架纖維支架的形成，從而形成有序的磁小體鏈。

Key proteins control the linkage of magnetosomes

“我們的研究清楚地表明，除了已經(jīng)得到充分研究的MamK之外，在進化多樣化的磁性細菌群中還有其他肌動蛋白樣蛋白，這些蛋白質(zhì)會影響磁小體鏈的產(chǎn)生和定位。此外，我們還發(fā)現(xiàn)了以前未知的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)在其他細菌中具有類似的功能，形成它們的磁羅盤針。這為關(guān)鍵蛋白質(zhì)在磁小體細菌生物合成中的功能提供了新的線索，“兩項研究的作者Ram Prasad Awal博士解釋說。

“我們的研究結(jié)果證明，細菌M. gryphiswaldense非常適合作為模式生物，從外來細菌中破譯生物合成磁小體蛋白的功能。這些發(fā)現(xiàn)將來也可用于磁小體的生物技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，“拜羅伊特大學(xué)微生物學(xué)系主任DirkSchüler教授說。

洞察進化

這項新研究還深入了解了磁性細菌合成細胞磁傳感器的獨特能力的進化歷史。使用計算機上的特殊生物信息學(xué)方法，德國和法國團隊成功地重建了MamK進化前身蛋白質(zhì)的假定氨基酸序列。這大概是該家族所有已知代表的一個共同祖先。

值得注意的是，這種人工生成的蛋白質(zhì)，名為MamK-LUCA，能夠在現(xiàn)存的磁性細菌M. gryphiswaldense中執(zhí)行與該模式生物自身蛋白質(zhì)類似的功能。