科学家们研究了30年的菌毛，竟然是它！王冯斌等人揭示其中的奥秘

来源：iNature

在过去的30年中，该纳米线一直被认为是4型菌毛(type IV pili)。2019年4月5日，弗吉尼亚大学Egelman教授，王冯斌博士和他们的合作实验室(Yale的Malvankar课题组和UC Irvine的Hochbaum课题组)在Cell上发表题为“Structure of Microbial Nanowires reveals stacked hemes that transport electrons over micrometers”的文章，该研究建立了完整的地细菌纳米线的原子模型，分辨率达到3.7Å。

令人惊叹的是，研究人员发现组成纳米线的并不是type IV pilin，而是整个纳米线都由一种C型细胞色素蛋白OmcS构成。这是科学家们第一次发现细胞色素能够形成类似菌毛的结构。这种结构解释了土壤细菌将电子传输到远程电子受体以进行呼吸和能量共享的显着能力。

常见土壤细菌地细菌的导电丝状附属物，称为微生物纳米线，在呼吸的长程细胞外电子转移和种间电子交换中发挥关键作用。这些纳米线被用于解释影响土壤和沉积物中碳和矿物循环，生物修复，腐蚀以及有机废物向甲烷或电力的厌氧转化的全球重要氧化还原现象。然而，这些细丝的组成，结构和潜在的传导机制仍然不确定，因为使用传统的生物化学方法和X射线晶体学研究，细丝难以溶解。 地细菌作为更广泛的细胞外电子转移现象的模式生物，因为它产生这些导电细丝并且具有完全测序的基因组和发育良好的遗传系统。与其他电子转移细菌相反，地细菌不使用扩散穿梭分子，但需要通过导电细丝直接接触电子受体进行远程细胞外电子转移。

地细菌和它周围的生物薄膜

地细菌外表面c型细胞色素，包括hexaheme细胞色素OmcS，已知在不溶性电子受体（包括氧化铁（III）和电极）上的细菌生长中起关键作用。尽管如此，先前的研究提出导电性地细菌细丝是由PilA蛋白组成的IV型菌毛，原因如下：（1）电子转移细胞显示出高水平的PilA信使RNA，（2） 地细菌 PilA的氨基酸序列与来自其他IV型菌毛生产细菌的PilA的N末端序列相似，（3）地细菌菌毛生物合成基因的基因组结构也是如此。类似于其他IV型菌毛生成细菌，（4）pilA缺失突变株缺乏细丝，不能在细胞外转移电子和（5）点突变pilA使细胞产生具有与野生型（WT）细丝不同的导电性的细丝，推测导电细丝是由PilA蛋白组成的IV型菌毛。

OmcS亚基之间的相互作用

尽管有这些数据，但从未有任何直接证据表明导电的细菌细胞外细丝由PilA组成。相反，细丝组成是从间接证据推断出来的，包括在生化分析中存在PilA，或者通过原子力显微镜（AFM）和负染色透射电子显微镜进行低分辨率成像，推断细丝类似于IV型菌毛。

在过去的30年中，该纳米线一直被认为是4型菌毛(type IV pili)。但是就在这一次，该研究建立了完整的地细菌纳米线的原子模型，分辨率达到3.7Å，令人惊叹的是，研究人员发现组成纳米线的并不是type IV pilin，而是整个纳米线都由一种C型细胞色素蛋白OmcS构成。这是科学家们第一次发现细胞色素能够形成类似菌毛的结构。而分布在纳米线中起到关键电子传递作用的，是一个个紧紧排列的血红素。在整个纳米线内，血红素之间的距离是3.5～6.0Å，这个距离在细胞色素领域，被认为可以非常高效地传递电子。

OmcS纳米线中的血红素

研究人员制备了从两个实验室独立纯化的地细菌纳米线的cryo-EM样品，通过冷冻电镜和数据分析，研究人员不出意外地发现它们是同一种纳米线，螺旋参数都是(上升 46.7Å； 旋转 -83.1° )。在显微镜下观测到的纳米线可以达到1微米长(10-6米)，让人好奇的是它为什么能长这么长呢？在解析出原子模型之后研究人员惊讶地发现，OmcS纳米线除了拥有与肌动蛋白（actin filament）相仿的蛋白相互作用接触面积，在两个相邻OmcS亚基之间，还会通过共用一个血红素（共价键）和两个血红素的“π-π”堆积作用，从而大幅度增强两个亚基之间的联系。

除此之外，该领域还有很多未回答的问题，比如有没有其他的细胞色素形成的纳米线？之前大家关注的type IV pilin到底去哪里了？了解更多信息，请您阅读原文。

参考信息：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30291-0