揭秘細菌內部結構，世界上最大的迷宮可能就在這裡！

從外形上看，細菌似乎平淡無奇，但是，得益於新的成像技術，不少新研究表明，細菌的內部遠比它的外表有趣和豐富：它們有的像小塔，有的像魚鉤，有的像火車軌道，還有的像馬蹄鐵……

英國肯特大學的結構和細胞生物學家Martin Warren說，許多年以來，科學家們一直認為細菌除了各種酶組成的「包」外沒有什麼內部結構。但是，現在已有研究人員發現細菌內部其實具有豐富的神秘結構和隔間，相關論文發表在6月12日的《細菌學》雜誌上。

不過科學家們還不清楚這些結構具有什麼功能，可以確認的是，建立這些複雜的結構對細菌來說是相當耗能的。

圖丨「埃菲爾鐵塔」 ：一種稱為Prosthecobacter debontii的淡水細菌表面附有類似於埃菲爾鐵塔的附屬物。如圖，左上和左上插圖為冷凍電子斷層掃描圖像，右圖和右上插圖分別為3-D重構后的側視圖和頂視圖。迄今，科學家並不了解這個複雜附屬物的功能

另一個研究團隊則在6月23日《科學》雜誌上首次展示了一個完整的細菌細胞區室（microcompartment）。細胞區室是細菌用來將某些化學反應與細胞其餘部分分離的蛋白質殼結構，了解細胞區室是如何組成的在生物技術和醫學中具有重要意義。

Warren（一個未參與上述兩項研究的科學家）說，這兩項研究表明細菌遠比我們想象的複雜，「這些內部結構真的很不可思議，那些覺得微生物無趣的人應該看看這些研究。」

圖丨「神秘聖地」：細菌利用蛋白質殼將特定重要的化學反應集中在一個地方，這樣的蛋白質殼就叫做區室。研究人員對一種稱為Halignium ochraceum的細菌中的一個區室進行了三維模擬。如圖所示，其蛋白殼由BMC-H蛋白（藍色）與BMC-T蛋白（綠色）組成的六角形結構和由BMC-P蛋白（黃色）組成的五邊形結構構成。除了病毒以外，它是科學家們在原子水平解析度看到過的最大的蛋白質結構

自20世紀50年代以來，生物學家已經認識到，光合藍細菌可以製造出稱為「羰酶體」的細胞區室，這對光合作用來說非常重要。此外，大約20％的細菌——即使是不進行光合作用的細菌——也具有製作類似區室的基因。只有當細菌遇到可以作為食物的某些分子時，這些區室基因才會得到表達。例如，一些致病細菌含有具有能幫助它們消化人類腸道粘液的小區室。

圖丨Caulobacter crescentus細菌常常含有包裹著存儲顆粒（紅色）的扁平囊泡（綠色）

在細胞區室被真正解密之前，已經有許多研究人員致力於設計微型區室來製造藥物、工業化學品或生物燃料。然而這很困難，因為科學家們並沒有完全了解微型區室的結構。他們知道蛋白質聚在一起形成五邊形和六邊形的功能單位，但卻不知道亞單位是如何聚集成多維結構的。伊利諾伊州埃文斯頓西北大學的合成生物學家Danielle Tullman-Ercek說：「這就好像在玩樂高積木，但人們並不了解磚塊是如何組裝在一起的。」

圖丨螺旋纖維結構：一種稱為Hyphomonas neptunium海洋菌的生長莖內的螺旋纖維，研究人員認為這可能是由超螺旋DNA組成的

此外，愛爾蘭科克大學醫學微生物學家Michael Prentice還指出，這些獨立單位具有一定的彎曲度，比如一個單位的一側是凹陷的，而在另一側則是凸起的。但是問題是，凹陷或凸起的結構是否仍位於微型區室內呢？

現在已經有針對這個問題的滿意答案了。據《科學》報道，由密西根州立大學和加利福尼亞州的勞倫斯伯克利國家實驗室的結構生物學家Cheryl Kerfeld領導的研究人員們利用X射線晶體學和低溫電子顯微鏡技術探究了Halignium ochraceum細菌的區室，並且發現這些凹陷結構覆蓋了微型區室的外部，就如同高爾夫球上的凹坑一樣。

圖丨霍亂弧菌（引起霍亂的細菌）產生的伸長的網狀結構

Kerfeld的團隊還發現，這些亞單位的側面可以彼此接觸組成「平板」，並且能夠以一定角度聯合起來形成曲面。「我們根本沒有預測到會發現這一點，」Kerfeld說。此外，研究人員發現，一些六邊形亞單位會堆疊在彼此的頂部，形成不規則的球形。截至目前，該小組仍在探索區室亞單位結構如何影響區室的功能。

圖丨囊泡氣泡狀的細胞區室：研究人員已經發現了細菌的一些神秘結構，諸如Halothiobacillus neapolitanus細菌的被稱為囊泡氣泡狀的細胞區室（綠色），其位於細胞膜（青色）和細胞壁（紫色）之間（上：冷凍電子斷層掃描圖像; 下：3-D重建）

其實，微型區室並不是細菌內唯一的神秘結構。在過去十年間，Caltech的結構細胞生物學家Grant Jensen及其同事還發現了一些其他的神秘結構，如艾菲爾鐵塔，魚鉤，馬蹄鐵，鐵軌，燈絲和網格的結構。他們採用的方法是利用電子冷凍成像技術對88種細菌拍攝超過15,000幅圖像，該技術的基本原理是快速冷凍細胞，從而使得水分子不能形成晶體。因此，細胞的結構不會在成像過程中被破壞，而是保留原先的狀態，從而讓研究人員看到它們真正的模樣。

圖丨馬蹄狀結構：一些細菌將膜彎曲成馬蹄形狀，如生活在土壤和水中的Ralstonia eutropha細菌；這種囊泡結構有助於它分解土壤中的化學物質

Jensen說：「我們利用這項技術來發現這些亞單位的速度比鑒定它們要快得多。」他的團隊在《細菌學》雜誌上發表了這些圖像，因為他們認為「最好的科學進展應該展現給所有人」。他希望與其他研究人員一起分享這些圖像能夠有助於解開這些結構和其功能之謎。