《科学》：“死而复生”的终极秘密，细菌唤醒沉睡的自己

邓文龙

“死而复生”的终极秘密，《科学》终于发现细菌如何唤醒沉睡的自己

电化学势使休眠孢子能够整合环境信号。

学术经纬

2022/10/17

论文
论文标题：Electrochemical potential enables dormant spores to integrate environmental signals
作者：Kaito Kikuchi, Leticia Galera-Laport, Colleen Weatherwax, Jamie Y. Lam, Eun Chae Moon, Emmanuel A. Theodorakis , Jordi Garcia-Ojalvo, Gürol M. Süel

期刊：Science
发表时间：2022/10/06
数字识别码：10.1126/science.abl7484
摘要：The dormant state of bacterial spores is generally thought to be devoid of biological activity. We show that despite continued dormancy, spores can integrate environmental signals over time through a preexisting electrochemical potential. Specifically, we studied thousands of individual Bacillus subtilis spores that remain dormant when exposed to transient nutrient pulses. Guided by a mathematical model of bacterial electrophysiology, we modulated the decision to exit dormancy by genetically and chemically targeting potassium ion flux. We confirmed that short nutrient pulses result in step-like changes in the electrochemical potential of persistent spores. During dormancy, spores thus gradually release their stored electrochemical potential to integrate extracellular information over time. These findings reveal a decision-making mechanism that operates in physiologically inactive cells.

所属学科：
生物化学

（领研网导读 阿金）细菌孢子形成是许多微生物的一种常见且特征鲜明的生存策略。本研究分析了上千个独立的枯草芽孢杆菌孢子，发现这些孢子暴露于短暂的营养脉冲时仍处于休眠状态，休眠期间，孢子逐渐释放其储存的电化学电位，随着时间的推移整合细胞外信息。随后研究人员通过基因和化学靶向的钾离子通量实现了对孢子退出休眠的有效调控。




药明康德内容团队编辑



当极端环境到来，不再适合生存和繁殖的时候，细菌就会转变成孢子的形式。这种转变可以让细菌获得超强的抵御能力，孢子可以忍受极端的干燥、温度和压力，例如一些致病菌在转变成孢子后能在土壤中留存数年，等环境适宜的时候会再次苏醒。



但科学家一直认为孢子处于一种非常模糊的生命状态，严格来讲，孢子并非像冬眠动物一样进行深度睡眠，它们从生理层面来说与死亡无异，因为孢子没有任何新陈代谢活动。



但是令人惊讶的是，这样一片死寂的孢子却能知道什么时候醒过来，只要时机合适，细菌又可以重新复苏繁殖，扩充部队。这一过程也令许多微生物学家为之着迷。



最近，《科学》的一项新研究首次发现了孢子“死而复生”的小小奥秘，尽管没有代谢，但它们可以借助储存在内部的带电粒子来进行调节，并且根据粒子的微小变化来告诉自己外界的营养水平高低，从而决定要不要醒过来。






“这项研究改变了我们对细菌孢子的看法，我们过去认为孢子是极其惰性的物体，”加州大学圣地亚哥分校的分子生物学家Gürol Süel教授表示，孢子仍然保留了处理信息的能力，尤其是利用电化学势能来“计算”周围的营养变化，这一过程完全不需要代谢参与。



新研究选取了数千个孢子状态的枯草芽孢杆菌进行实时追踪，这些细菌的生存能力极强，甚至可以在太空的压力测试中存活很长时间。



研究会在它们的环境中给予非常短暂的营养脉冲，单次提供的营养信号并不足以直接让孢子复苏。根据作者的追踪观察，前面几次的营养脉冲的确好像无事发生，孢子还是毫无生机。





▲接收营养信号越强的孢子活力越强（亮度越高）（图片来源：Süel Lab/Kaito Kikuchi & Leticia Galera）



但随着营养脉冲数量的增加，枯草芽孢杆菌开始恢复了活力，它们仿佛可以记录营养脉冲的次数，随着数字的增加它们在某一刻就知道是时候苏醒了。



于是作者分析了每一次营养脉冲时，细菌内部发生了什么。他们发现细菌以钾离子形式储存的能量会在其中发挥作用，每一次刺激都能使得钾离子从内膜释放，当释放得足够多的时候，孢子就改变它的状态重新复活。





▲每次接收到营养信号，钾离子就会被部分释放（图片来源：Lombardino & Burton, Science, 2022）



作者指出这是一种典型的信号累积处理策略， “这说明生理性失活的孢子实际也在执行一种决定选择机制。”Süel教授表示，这种策略并不陌生，因为我们大脑中的神经元就是以类似的方式来处理信息的。一些短暂的信息输入会不断累积，当达到阈值的时候，神经元便会被激活并向其他神经元传递信息，进行交流。只是在细菌中，这一过程被用于唤醒孢子。



这种生存策略也让人不禁考虑起了生命在外星存在的可能形式，是否一些在极端条件下的生命也在等待一个时机复苏呢？



当然，研究团队首先需要做的是确认这一策略会在更广泛的生命中使用，例如一些进入类似孢子状态的真菌是否有可能采取了相同的方式，又或者钾离子的浓度水平能否决定孢子的存留长度，这些都是作者很感兴趣，想要解答的问题。



参考资料：
[1] Unexpected Activity in 'Dead' Bacteria Detected by Scientists. Retrieved October 11, 2022 from https://www.sciencealert.com/une ... ected-by-scientists、
[2] Electrochemical potential enables dormant spores to integrate environmental signals. Science (2022). DOI: https://doi.org/10.1126/science.abl7484


免责声明：药明康德内容团队专注介绍全球生物医药健康研究进展。本文仅作信息交流之目的，文中观点不代表药明康德立场，亦不代表药明康德支持或反对文中观点。本文也不是治疗方案推荐。如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。


更多精彩内容，请关注“学术经纬”（Global_Academia）

文章标签
细菌孢子
枯草芽孢杆菌孢子
休眠状态
电化学电位
细胞外信息
环境信号

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl7484

https://www.linkresearcher.com/t ... 5-9054-2c3d079ede66



华成旅行社  欢迎来电咨询：

电话：03-3833-9823  / 03-5688-1863
FAX ：03-3833-9873  / 03-3834-5891

SOFTBANK电话：080-3416-2275   担当：小郭  微信号：08034162275
SOFTBANK电话：090-2172-4325   担当：小于  微信号：TYOSCL4325
SOFTBANK电话：080-3398-4387   担当：小李  微信号：huacheng4387
SOFTBANK电话：080-3523-4388   担当：小何  微信号：huacheng602
SOFTBANK电话：080-3084-4389   担当：小马  微信号：huacheng858

http://www.kaseisyoji.com/forum.php?mod=forumdisplay&fid=10