细菌孢子可以在没有营养的情况下存活数年，甚至几个世纪，抵抗高温、紫外线辐射和抗生素。沉睡的惰性细菌或孢子是如何复活的，这是一个长达一个世纪的谜。新的研究发现了传感器蛋白是如何使休眠细菌复活的。这一发现为对抗孢子对抗生素和灭菌的耐药性开辟了新的途径。研究结果可以为预防感染和食物变质的新策略提供信息。
自从150多年前首次描述细菌孢子——惰性的、睡眠的细菌——以来，一个困扰生物学家的谜题得到了解决。哈佛医学院的研究人员发现了一种新的细胞传感器，它可以让孢子检测到环境中营养物质的存在，并迅速恢复生命。事实证明，这些传感器兼作细胞膜通道，在休眠期间保持关闭，但在检测到营养物质时迅速打开。一旦打开，通道允许带电离子通过细胞膜流出，启动保护性孢子层的脱落，并在休眠数年甚至数世纪后开启代谢过程。
该团队的研究结果发表在4月28日的《Science》杂志上，可以帮助设计方法，防止危险的细菌孢子在再次醒来并引起爆发之前休眠数月，甚至数年。这一发现解决了一个多世纪以来的难题：当细菌的系统在保护性外壳内几乎完全关闭时，细菌是如何感知环境的变化并采取行动打破休眠的？
沉睡的细菌如何复活
为了在恶劣的环境条件下生存，一些细菌进入休眠状态，变成孢子，生物过程暂停，细胞周围有一层保护性的盔甲。这些生物惰性的迷你堡垒使细菌能够等待饥荒的结束，并保护自己免受极端高温、干旱、紫外线辐射、刺激性化学物质和抗生素的破坏。
一个多世纪以来，科学家们已经知道，当孢子检测到环境中的营养物质时，它们会迅速脱掉保护层，重新启动新陈代谢引擎。尽管让它们能够检测营养物质的传感器在近50年前就被发现了，但传递唤醒信号的方法，以及信号如何触发细菌复活，仍然是一个谜。
在大多数情况下，信号依赖于代谢活动，通常涉及编码蛋白质的基因来制造特定的信号分子。然而，这些过程在休眠细菌中都被关闭了，这就提出了一个问题:信号是如何诱导休眠细菌醒来的?
该研究的通讯作者、哈佛医学院布拉瓦尼克研究所微生物学教授David Rudner和他的团队发现，营养传感器本身组装成一个管道，打开细胞的业务。作为对营养物质的反应，导管(一种膜通道)打开，允许离子从孢子内部逸出。这引发了一连串的反应，使休眠的细胞脱下保护性的盔甲，恢复生长。科学家们使用了多种途径来追踪这个谜团的曲折。他们使用人工智能工具来预测复杂折叠的传感器复合体的结构，该结构由同一传感器蛋白质的五个副本组成。他们应用机器学习来识别构成通道的子单元之间的相互作用。他们还使用基因编辑技术诱导细菌产生突变传感器，以此来测试基于计算机的预测如何在活细胞中发挥作用。
Rudner将这个案例中的发现过程描述为一系列令人困惑的观察结果，这些观察结果慢慢形成，这要归功于一组具有不同观点的研究人员协同合作。在此过程中，他们不断做出令人惊讶的观察，这些观察让他们感到困惑，暗示了一些似乎不可能是真的答案。
将线索拼接在一起
一个早期的线索出现在Rudner实验室的HMS研究员Yongqiang Gao对枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)进行的一系列实验中。枯草芽孢杆菌通常存在于土壤中，是导致炭疽的细菌的表亲。Gao将其他形成孢子的细菌的基因引入枯草芽孢杆菌，以探索产生的不匹配蛋白质是否会干扰发芽的想法。令他非常惊讶的是，Gao发现在某些情况下，细菌孢子会与一组来自远亲细菌的蛋白质完美地重新唤醒。
Lior Artzi是研究期间实验室的博士后，他对Gao的发现做出了解释。如果传感器是一种受体，在检测到信号之前就像一扇关闭的门，在这种情况下是像糖或氨基酸这样的营养物质呢?一旦传感器与营养物质结合，通道就会打开，让离子从孢子中流出。
换句话说，来自远亲细菌的蛋白质不需要与不匹配的枯草芽孢杆菌孢子蛋白相互作用，而只是在离子开始流动时对孢子的电状态变化做出反应。
Rudner最初对这一假设持怀疑态度，因为受体不符合这一特征。它几乎没有离子通道的任何特征。但阿兹认为，这种传感器可能是由多个亚单位组成的，它们在一个更复杂的结构中共同工作。
人工智能
另一位博士后Jeremy Amon是AlphaFold的早期使用者，AlphaFold是一种可以预测蛋白质和蛋白质复合物结构的人工智能工具，他也在研究孢子萌发，并准备研究营养传感器。
该工具预测，一个特定的受体亚基组装成一个被称为五聚体的五单元环。预测的结构包括中间有一个通道，可以让离子穿过孢子的膜。人工智能工具的预测正是Artzi所怀疑的。
Gao、Artzi和Amon随后合作测试了人工智能生成的模型。他们与第三位博士后Fernando Ramírez-Guadiana以及HMS生物化学和分子药理学教授Andrew Kruse和HMS系统生物学副教授计算生物学家Deborah Marks的小组密切合作。
他们改造了改变了受体亚基的孢子，预计会拓宽膜通道，并发现孢子在缺乏营养信号的情况下醒来。另一方面，他们产生了突变亚基，他们预测这些亚基会缩小通道孔径。这些孢子无法打开释放离子的大门，也无法在充足的营养物质的存在下从静止状态中醒来，无法诱导它们脱离休眠状态。
换句话说，与折叠复合体的预测结构稍有偏差，就会使门卡在打开或关闭的状态，使其无法作为唤醒休眠细菌的工具。
对人类健康和食品安全有哪些影响？
了解休眠细菌是如何恢复生命的，不仅是一个智力上诱人的谜题，而且对人类健康具有重要意义。一些能够长时间进入深度休眠状态的细菌是危险的，甚至是致命的病原体:武器炭疽的粉状白色形式是由细菌孢子组成的。
另一种危险的芽孢形成病原体是艰难梭菌，它会导致危及生命的腹泻和结肠炎。艰难梭菌引起的疾病通常发生在使用抗生素后，抗生素杀死了许多肠道细菌，但对休眠的孢子无效。经过治疗后，艰难梭菌从休眠状态中醒来，可以开花，通常会带来灾难性的后果。
根除孢子也是食品加工厂的一个核心挑战，因为休眠的细菌由于其保护性盔甲和脱水状态可以抵抗消毒。如果消毒不成功，发芽和生长可能导致严重的食源性疾病和巨大的经济损失。
了解孢子如何感知营养物质并迅速退出休眠状态，可以使研究人员开发出早期触发发芽的方法，从而使细菌消毒或阻止发芽成为可能，使细菌被困在它们的保护壳中，无法生长、繁殖、破坏食物或引起疾病。
参考文献
Bacterial spore germination receptors are nutrient-gated ion channels
