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通过表达外源蛋白揭示磁性细菌中磁传感器的生物合成
来源:作者:jennifer opel,拜罗伊特大学 发表于 2023/11/1

(a) alphafold预测的bw-28的mad1三维结构模型。结构中标明了四个肌动蛋白结构域 ia、ib、iia 和 iib。(b) 纯化的 n 端 his 标签的 mad28 的 sds-pagebw-1型来自大肠杆菌。(c)mad28的体外聚合bw-1型在存在 atp-γ-s 且没有 atp (d) 的情况下,通过 tem 可视化。比例尺,100 nm。图片来源:mbio (2023)。doi: 10.1128/mbio.01649-23


由拜罗伊特微生物学家dirk schüler领导的德法研究小组在《mbio》杂志上介绍了磁性细菌中蛋白质功能的新发现。该研究基于在同一期刊上发表的先前结果。


在这项研究中,拜罗伊特的科学家们使用magnetospirillum gryphiswaldense物种的细菌来破译基因的功能,这些基因可能参与了其他难以获得的磁性细菌中磁小体的生物合成。


磁小体链就像罗盘针一样

磁性细菌在其细胞内含有由铁矿物纳米晶体组成的磁性颗粒。这些细胞器样颗粒在研究中被称为磁小体。就像链条中的链接一样,这些粒子中有 20 多个有规律地一个接一个地排列。单个晶体的磁矩相加,使得链(类似于罗盘针)具有磁传感器的功能:它将细菌细胞对准地球相对微弱的磁场。


链的结构和空间排列由颗粒附着的纤维支撑。这些细胞骨架纤维的主要成分是蛋白质mamk,它们就像一个稳定的支架。它属于肌动蛋白家族,存在于所有已知的磁性细菌中,但在大多数非磁性细菌中也有功能完全不同的亲戚。


基因转移克服了研究障碍

肌动蛋白 mamk 在 m. gryphiswaldense 物种的磁性细菌中执行的功能已经在以前的研究中进行了广泛的研究:它对链形成过程有显着影响,并导致链准确定位在细菌细胞的中间。在细胞分裂过程中,这确保了磁小体链被一分为二,并且两个子细胞接收长度相等的部分。


然而,到目前为止,人们对其他种类的磁性细菌是否以同样的方式依赖mamk进行磁小体生物合成,或者它们是否为此目的使用其他蛋白质甚至机制知之甚少。研究人员对这个问题特别感兴趣,尤其是出于以下原因:许多其他种类的磁性细菌产生磁体和磁体链,这些磁体和磁小体链在晶体构建块的形状和大小以及细胞排列方面与 m. gryphiswaldense 有很大不同。


关于在m. gryphiswaldense中揭示的生物合成机制在多大程度上具有普遍性的问题仍未得到解决,主要是因为对许多其他种类的磁性细菌进行必要的研究非常困难:在某些情况下,所讨论的磁性细菌不适合进行遗传研究;在其他情况下,泥栖生物不能在实验室中生长。


m. gryphiswaldense的突变体产生外来蛋白质

发表在mbio上的新研究提出了一种规避这些困难的新方法。拜罗伊特的研究人员在之前发表在mbio上的一项研究中为此奠定了基础。在这里,他们成功地表达了控制外来磁性细菌中磁小体产生的蛋白质,即 m. gryphiswaldense 突变体。引入的蛋白质甚至可以被证明可以取代m. gryphiswaldense自身蛋白质的功能,这些蛋白质的基因以前已被消除,从而证明了磁小体形成中外来蛋白质的功能平等。


在他们的新研究中,来自拜罗伊特大学,艾克斯 - 马赛大学和里昂大学的微生物学家现在已经将这种有前途的方法应用于肌动蛋白,这些肌动蛋白被怀疑对其他磁性细菌中磁小体的连接具有控制性影响。m. gryphiswaldense的突变体产生了这些外来肌动蛋白,现在可以研究其功能。


事实证明,所有研究的外源肌动蛋白都影响了链的形成。有些甚至能够生产与m. gryphiswaldense中的“原始链”非常相似的链条支架。此外,先前发现的一种称为mad28的远亲新型肌动蛋白样蛋白被证明能够支持细胞骨架纤维支架的形成,从而形成有序的磁小体链。


key proteins control the linkage of magnetosomes

“我们的研究清楚地表明,除了已经得到充分研究的mamk之外,在进化多样化的磁性细菌群中还有其他肌动蛋白样蛋白,这些蛋白质会影响磁小体链的产生和定位。此外,我们还发现了以前未知的蛋白质,这些蛋白质在其他细菌中具有类似的功能,形成它们的磁罗盘针。这为关键蛋白质在磁小体细菌生物合成中的功能提供了新的线索,“两项研究的作者ram prasad awal博士解释说。


“我们的研究结果证明,细菌m. gryphiswaldense非常适合作为模式生物,从外来细菌中破译生物合成磁小体蛋白的功能。这些发现将来也可用于磁小体的生物技术和生物医学应用,“拜罗伊特大学微生物学系主任dirkschüler教授说。


洞察进化

这项新研究还深入了解了磁性细菌合成细胞磁传感器的独特能力的进化历史。使用计算机上的特殊生物信息学方法,德国和法国团队成功地重建了mamk进化前身蛋白质的假定氨基酸序列。这大概是该家族所有已知代表的一个共同祖先。


值得注意的是,这种人工生成的蛋白质,名为mamk-luca,能够在现存的磁性细菌m. gryphiswaldense中执行与该模式生物自身蛋白质类似的功能。

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