與潛艇或魚鰾中的壓載艙的功能類似，許多水基細菌使用氣體囊泡來調(diào)節(jié)其漂浮性。在《細胞》雜志的一篇新出版物中，來自生物納米科學(xué)和成像物理學(xué)系的科學(xué)家現(xiàn)在首次描述了這些囊泡的分子結(jié)構(gòu)。這些氣體囊泡最近也被重新用作超聲成像的造影劑。

氣體囊泡(GV)是中空的圓柱形納米結(jié)構(gòu)，由薄的蛋白質(zhì)殼制成，充滿氣體。與潛艇或魚鰾中的壓載艙的功能相似，許多水基細菌使用這些結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)其漂浮性。“例如，某些藍藻使用氣體囊泡漂浮到表面以收集光用于光合作用，這種現(xiàn)象有時在有毒藻華中大規(guī)模出現(xiàn)，”生物納米科學(xué)系助理教授Arjen Jakobi說。

保持漂浮

這種結(jié)構(gòu)有非常具體的要求：為了使細菌保持漂浮，GV必須占據(jù)細胞的很大一部分，這涉及形成超過數(shù)百納米大小的隔室。為了最大限度地提高可漂浮性，外殼必須由最少的材料制成。同時，殼體需要提供對周圍水壓的抵抗力，以保持隨著水深變化而漂浮的能力。因此，GV已經(jīng)進化為由單個蛋白質(zhì)組成的剛性薄壁結(jié)構(gòu)，該蛋白質(zhì)重復(fù)數(shù)千次以形成GV外殼。

“盡管付出了巨大的努力，但GV的分子結(jié)構(gòu)以及因此對其獨特性質(zhì)的分子水平理解仍然難以捉摸，”Jakobi實驗室的博士候選人Stefan Huber說。“但是，高度先進的電子顯微鏡硬件和圖像處理算法的最新發(fā)展使我們能夠在幾乎原子的細節(jié)上解決這種結(jié)構(gòu)。我們現(xiàn)在可以展示GV外殼的低溫電子顯微鏡(cryo-EM)結(jié)構(gòu)，提供對GV如何生長以及使細菌漂浮的獨特進化適應(yīng)的詳細見解。

罐頭罐

氣體囊泡蛋白GvpA具有波紋壁結(jié)構(gòu)，典型的受力薄壁圓柱體，類似于錫食品罐的帶肋金屬板。小孔使氣體分子能夠在殼中移動，而氣體囊泡內(nèi)表面的化學(xué)特性有效地排斥水。這種設(shè)計允許GV選擇性地填充氣體。對各種不同細菌物種的比較表明，氣體囊泡的基本設(shè)計在整個進化過程中保持不變。

該結(jié)構(gòu)提供了對細菌進化的特殊分子特征的迷人見解，使它們能夠在水環(huán)境中漂浮，并且它揭示了納米級的巧妙工程原理，這些原理是在壓力下保持薄的空心結(jié)構(gòu)所必需的。

超聲波

該研究還將促進用于超聲成像的氣體囊泡的分子工程。“在這項研究中，我們與成像物理系的David Maresca實驗室合作，他與我們聯(lián)系，以可視化他實驗室產(chǎn)生的氣體囊泡，”Jakobi說。在Maresca的實驗室中，博士候選人Dion Terwiel旨在通過調(diào)整其遺傳密碼，使用氣體囊泡造影劑進行超聲成像。充氣GV和周圍細胞結(jié)構(gòu)之間的高密度對比度使它們在超聲圖像中明亮，并且它們的特殊性質(zhì)是當前造影劑的潛在改進。“我們獲得的見解使我能夠更精確地重新設(shè)計這些聲學(xué)生物分子，”Terwiel說。

“自2014年以來，人們對氣體囊泡重新產(chǎn)生了興趣，因為它們可以作為超聲波的'綠色熒光蛋白'。了解氣體囊泡結(jié)構(gòu)將有助于我們設(shè)計聲學(xué)生物傳感器，以便'監(jiān)視'深入組織的生物過程，“Maresca補充道。