中國學者發表eLife：首次實現鞭毛組裝實時動態熒光成像

　　2017年1月18日，北京大學生命科學學院生物動態光學成像中心白凡課題組與臺灣中央大學羅健榮課題組合作在《eLife》雜志上在線發表了題為“Length-dependent flagellar growth of Vibrio alginolyticus revealed by real time fluorescent imaging”的研究論文。在該文中，研究人員首次實現了對單細胞溶藻弧菌（Vibrio alginolyticus）極生鞭毛的實時動態熒光成像，深入探究了其鞭毛的生長過程。該研究發現，溶藻弧菌鞭毛的生長速率與其鞭毛的長度有著明顯的相關性，并提出了相關的數學模型闡釋實驗結果。這項研究對于理解細菌蛋白的胞外運輸和組裝具有重要意義。

　　細菌通過鞭毛的旋轉進行游動。鞭毛作為一個復雜而精細的胞外蛋白復合體，其組裝過程需要鞭毛相關蛋白去折疊后通過三型分泌系統運出，穿過狹窄的鞭毛通道，最后在鞭毛遠端重新折疊，鞭毛也由此不斷延伸。過去關于鞭毛的研究主要集中在鞭毛馬達以及鞭毛系統中大分子的結構與功能，對于鞭毛蛋白的胞外運輸及鞭毛生長的動態過程鮮有報道。由于成像技術手段的限制，活體觀察細菌鞭毛的實時生長非常困難。外直徑只有20納米的鞭毛絲在明場下不可見，而具有超高分辨率的電鏡卻無法觀察活細胞。近年來雖然有出現熒光染料標記大腸桿菌鞭毛的方法，但是至今仍舊無法做到實時觀測。

　　為了實現實時觀測細菌鞭毛的生長過程，白凡課題組與羅健榮課題組運用NanoOrange熒光染料對溶藻弧菌進行標記。游離狀態的NanoOrange熒光強度很低，只有當其結合鞭毛外表面的鞭毛鞘時會發出明亮的熒光，因此可以將其用于指示鞭毛，并且在培養溶液含有染料的情況下對鞭毛的生長過程進行長時間的觀察。通過這種染料快速標記的熒光成像，研究人員以較高的空間和時間分辨率準確測量鞭毛的生長速率。結果顯示，無論是在細菌群體水平還是單細胞水平，溶藻弧菌的鞭毛生長速率明顯依賴于其鞭毛長度。當鞭毛長度小于1500納米時，鞭毛以恒定的速度生長；當鞭毛繼續變長時，其生長速率會迅速下降。為了解釋實驗觀察得到的結果，研究人員通過數學建模模擬了鞭毛蛋白亞基在鞭毛通道里面的運輸過程。該模型的一個關鍵點是考慮鞭毛基部的三型分泌系統將去折疊的鞭毛亞基轉運出細胞進入鞭毛通道時，能夠將其推動一段距離。因此，當鞭毛較短時，其生長速率主要取決于鞭毛基部的上樣速率；而隨著鞭毛逐漸生長變長，鞭毛亞基在鞭毛通道里的擴散成為了限速步驟，使得生長速率急劇下降。這項工作對于進一步研究胞外復合體的蛋白運輸和動態組裝都具有重要意義。

　　羅健榮教授和白凡研究員為該論文的共同通訊作者。臺灣中央大學物理系博士生陳美廷，北京大學生命科學學院2013級博士生趙梓伊、北京大學生命科學學院2011級本科生楊津（現為美國威斯康辛大學麥迪遜校區博士生）為該論文并列第一作者。本研究得到了國家自然科學基金以及人類前沿科學計劃(HFSP)的支持。