基于PDB代碼文件1jce構(gòu)建原核生物蛋白MreB的結(jié)構(gòu)圖,，圖片來自維基共享資源,。
九重冰(Ice-9)是一種出現(xiàn)在美國著名反戰(zhàn)小說大師庫爾特-馮內(nèi)古特(Kurt Vonnegut)撰寫的小說《貓的搖籃》(Cat's Cradle)中的虛構(gòu)物質(zhì)。它應當是比常見的冰更為穩(wěn)定的一種水的形態(tài),，在45.8 °C時融化,。當與低于45.8 °C的液態(tài)水接觸時，它作為晶種(seed crystal)發(fā)揮作用,，導致整個水體像Ice-9那樣快速結(jié)晶,。在馮內(nèi)古特的這篇小說里，只需用Ice-9接觸一下就可使地球上的海洋發(fā)生凝固從而造成一場全球性的災難,?；诖耍琁ce-9很吸引人,。根據(jù)來自哈佛大學和普林斯頓大學的研究人員最近發(fā)表的一篇論文,，細菌細胞壁中的一個組分MreB也有類似于Ice-9的作用機制。
在這項研究中,，研究人員發(fā)現(xiàn)細菌細胞壁中的這個組分對細胞的最終形狀有著巨大的影響,。想象一下“MreB細胞骨架(MreB cytoskeleton)”是世界上最微小的指揮家，指揮著上千名音樂家(即細菌)演奏交響曲,。更加吸引人的是,，細菌的一種“左手”手性分子框架("left handed" molecular framework)產(chǎn)生一種“右手”手性分子結(jié)構(gòu)。
細胞骨架(cytoskeleton)是真核細胞中由蛋白質(zhì)聚合而成的三維的纖維狀網(wǎng)架體系,。細胞骨架包括微絲(也稱作肌動蛋白微絲),、微管和中間纖維。細胞骨架在細胞分裂,、細胞生長,、細胞物質(zhì)運輸、細胞壁合成等等許多生命活動中都具有非常重要的作用,。
調(diào)節(jié)細胞形狀是生物界中所有生物面臨的一種共同的挑戰(zhàn),。在幾乎所有的細菌中，細胞形狀是由細胞壁的結(jié)構(gòu)決定的,。
MreB是在細菌中發(fā)現(xiàn)的,，是肌動蛋白的同源物，與肌動蛋白存在三維結(jié)構(gòu)相似性和保守的活性位點肽序列,。這種蛋白結(jié)構(gòu)保守提示著真核生物中發(fā)現(xiàn)的肌動蛋白形成的細胞骨架元件和原核生物中發(fā)現(xiàn)的MreB形成的細胞骨架元件有著共同的祖先,。已有研究發(fā)現(xiàn)MreB蛋白聚合形成類似于肌動蛋白微絲(actin microfilament)的纖維。
原核生物中類肌動蛋白(actin-like protein),，如MreB,，參與細胞形狀的維持。所有非球狀的細菌擁有表達類肌動蛋白的基因,，如大腸桿菌存在mreB基因,。當大腸桿菌MreB蛋白存在缺陷時，該細菌就從桿狀變成球狀。而且,，自然球狀的細菌沒有表達MreB的基因,。這些類肌動蛋白在細胞膜底下形成引導參與細胞壁生物合成的蛋白運動的螺旋網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。
除了形狀之外,，細胞生長必須維持細胞壁的結(jié)構(gòu)完整性,。細菌通過建立一種整體有序性的細胞壁網(wǎng)絡，穩(wěn)健地維持這種完整性,。只不過細菌如何利用納米大小的蛋白在微米水平上產(chǎn)生和維持這種有序性仍然是個謎,。
在這篇研究中，研究人員證實在大腸桿菌中左手手性的MreB細胞骨架能夠?qū)е录毎诋a(chǎn)生整體性的右手手性排布結(jié)構(gòu),。細胞壁構(gòu)建材料在MreB指導下局部地插入肽聚糖網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中而且自然有序地形成聚糖鏈(glycan strand)并導致細胞在伸長生長期間左手旋轉(zhuǎn),。通過比較芽孢桿菌細胞的右手旋轉(zhuǎn)，這些研究結(jié)果支持一種常見的機制：在桿菌中肽聚糖螺旋插入和手性細胞壁有序排列相關聯(lián),。這些細胞生長的物理原則與細菌細胞骨架,、細胞壁合成的機制以及細胞壁結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)性存在聯(lián)系。
這項發(fā)現(xiàn)為什么比較重要呢,？因為科學家從中能夠更多地理解細菌是如何自我復制的,，這樣，科學家就有更多的機會在它們?nèi)肭秩祟愔皩⑵錃⑺馈?生物谷：towersimper編譯)
doi:10.1073/pnas.1117132109
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Helical insertion of peptidoglycan produces chiral ordering of the bacterial cell wall
Siyuan Wang, Leon Furchtgott, Kerwyn Casey Huang, and Joshua W. Shaevitz
The regulation of cell shape is a common challenge faced by organisms across all biological kingdoms. In nearly all bacteria, cell shape is determined by the architecture of the peptidoglycan cell wall, a macromolecule consisting of glycan strands crosslinked by peptides. In addition to shape, cell growth must also maintain the wall structural integrity to prevent lysis due to large turgor pressures. Robustness can be accomplished by establishing a globally ordered cell-wall network, although how a bacterium generates and maintains peptidoglycan order on the micron scale using nanometer-sized proteins remains a mystery. Here, we demonstrate that left-handed chirality of the MreB cytoskeleton in the rod-shaped bacterium Escherichia coli gives rise to a global, right-handed chiral ordering of the cell wall. Local, MreB-guided insertion of material into the peptidoglycan network naturally orders the glycan strands and causes cells to twist left-handedly during elongational growth. Through comparison with the right-handed twisting of Bacillus subtilis cells, our work supports a common mechanism linking helical insertion and chiral cell-wall ordering in rod-shaped bacteria. These physical principles of cell growth link the molecular structure of the bacterial cytoskeleton, mechanisms of wall synthesis, and the coordination of cell-wall architecture.
