2021 年 1 月，推特（Twitter）上举办了一场名为“将你的科学‘艺术化’，科学家如何用艺术来表达他们的工作（Art-ifying Your Science, How Scientist Can and Do Use Art to Communicate Their Work）”的线上会议。有不少科学家用生动的画笔描绘了那些晦涩难懂的科学机理。今天，我们特别分享这次活动中与微生物有关的作品，并对相关的科学概念做简要介绍。同时，也预祝诸位读者新年快乐！微生物的群体感应（quorum sensing，QS）是微生物间化学通信的过程，广泛存在于各种微生物中。这种信号交流机制，依赖于细胞外信号分子的产生、分泌、检测和响应，用以监测菌群密度、调控菌群生理功能，并且能够显示出少量菌体或单个菌体所不具备的特征1。群体感应又被称为“细胞与细胞的交流”或“自诱导”。参与这一过程的关键信号分子，则被称为自诱导分子。随着微生物不断生长，群体密度及自诱导分子浓度到达一定阈值时，就会启动微生物特定基因的表达，以协调或调控微生物的生物功能。图片来源：https://twitter.com/NoemieMattheyNoémie Matthey（@NoemieMatthey）所绘制的这幅图正是描绘了两种枯草芽孢杆菌间形成的群体感应。两种枯草芽孢杆菌通过分泌不同的自诱导分子（图中用白色方形和橙色小圆点表示），来对自己的群体行为进行调控。此外，作者也在这幅作品中体现了微生物的基因水平转移（HGT）机制。当两种枯草芽孢杆菌“相处”的时间长久了之后，感情日益增进，在偶然的一天里，可能就会有其中一种枯草芽孢杆菌满怀期待地，送给对方一段 DNA 序列作为礼物，从而实现细菌之间的基因交换，促进细菌进化。在漫长的进化历程中，细菌进化出了多种信号转导机制，来响应外界刺激（输入），产生不同的反应（输出）。化学感应（Chemosensory）途径在细菌中广泛存在，是最复杂的信号机制之一，需要多种蛋白质的参与。在这一途径中，细菌外的信号分子与细菌表面的化学感受器结合，以激活下游的反应2。而这个概念又引发了不少科研人员的奇思妙想……图片来源：https://twitter.com/she_toot在日常生活中，我们会用开瓶器来打开啤酒瓶的盖子，而在没有开瓶器的时候，我们则会找一些类似的物件来替代开瓶器，比如钥匙、勺子等等。由上可知，如果想要启动细菌的化学感应途径，就需要一种与化学感受器相匹配的信号分子，那么，在缺少这种信号分子的情况下，结构相似的信号分子，是否也能起到类似的化学感应作用呢？Shraddha Shitut（@she_toot）创作的这幅画给了我们答案。她将细菌比作了啤酒瓶，而我们也有多种方式可以启动细菌的化学感应途径。图片来源：https://twitter.com/fsantoriello2020 年的一项研究对控制大肠杆菌鞭毛运动的化学感应机制进行了探索，发现大肠杆菌细胞内存在两套不同输入和输出的化学感应系统（γ-变形菌门的 F6 系统和大肠杆菌科的 F7 系统），而且 F7 系统可以接管 F6 系统的输入和输出，最终导致 F6 系统丢失3。Frank Santoriello（@fsantoriello）绘制的这幅图生动地说明了上面这项研究的结果，F6、F7 两位“驾驶员”的遭遇，不仅体现出大肠杆菌内化学感应系统的变化，也阐明了 F7 和 F6 两套化学感应系统与鞭毛协同进化的过程。沙门氏菌被巨噬细胞吞噬后，会先驻留在巨噬细胞内的酸性囊泡中。这样的酸性环境可以让沙门氏菌的细胞质酸化，当酸化至 pH=5.6 时，沙门氏菌中的 SsrB 蛋白会磷酸化、活化，从而与 DNA 进行结合，促进沙门氏菌致病岛 SPI-2（pathogenicity island 2）基因的表达4。SPI-2 大量表达，使得沙门氏菌的毒力大增，三下五除二就杀死了吞噬自己的巨噬细胞，这种“遇酸则强”的防御能力，是沙门氏菌在长时间的进化中演变而来的。相反，当 pH 逐渐升高至中性或碱性时，SsrB 蛋白就无法大量活化，也无法大量表达 SPI-2，最终只能束手就擒，被机体的免疫系统所消灭。Noémie Matthey（@NoemieMatthey）绘制的这幅图，为我们很好地解释了这样一个繁琐的机制，也提示我们，碱性环境更利于杀死沙门氏菌。图片来源：https://twitter.com/NoemieMatthey蛭弧菌（Bdellovibrio bacteriovorus）是一种可以寄生于其他细菌（也可无寄主而生存）并能导致其裂解的细菌。蛭弧菌属于革兰氏阴性菌，比一般的细菌要小，并具有类似噬菌体的作用5。
图片来源：https://twitter.com/NoemieMatthey
近年来，抗生素的大量使用，使得多重耐药（multi-drug resistant，MDR）菌成为一个棘手的难题。因为蛭弧菌具有类似噬菌体的功能，能够裂解许多抗生素无法攻克的致病菌，所以近年来许多学者将目光转向了蛭弧菌。Noémie Matthey（@NoemieMatthey）绘制的这幅作品为我们呈现了这类特殊细菌对耐药菌的杀伤力。外排泵（efflux pumps）是细菌将胞内的药物或毒性物质排出胞外的蛋白转运系统，在外排过程中，需要进行质子交换或水解 ATP 提供能量。这种外排泵系统也可以将抗生素排出细菌外，是临床上固有耐药和获得性多重耐药的主要机制6。然而“道高一尺，魔高一丈”，有一种名为“χ-噬菌体”的噬菌体，可以沿着鞭毛丝随机吸附，然后利用这些外排泵，将它们的遗传物质注入沙氏门菌的细胞中，从而杀死细菌7。图片来源：https://twitter.com/she_toot在 Shraddha Shitut（@she_toot）绘制的这幅作品中一位倒在地上不胜酒力的沙门氏菌，就成了 χ-噬菌体的猎物，因为它既有鞭毛，又有外排泵，恰恰符合 χ-噬菌体的条件。新月柄杆菌（Caulobacter crescentus）是一种无毒的单细胞生物，属于 α-变形菌纲，革兰氏染色阴性。这种细菌生活在养分很少的水生环境中，如河流、湖泊和海洋。新月柄杆菌最大的特点是，单个细胞可形成两种不同类型的细胞：当它们需要寻找养分的时候，它们会化成可游动的细胞，以探索环境、寻找资源；当它们需要产生后代，进行复制分裂的时候，它们会变成一种不可游动的叶柄状细胞8。这一特点引起了科研人员的兴趣，因为新月柄杆菌可以作为一个简单而又便捷的单细胞模型，来研究细胞分化、非对称分裂以及它们与细胞周期进程的协调关系。图片来源：https://twitter.com/NoemieMatthey在上面这幅图中，Noémie Matthey（@NoemieMatthey）用可爱的笔调，画出了新月柄杆菌的两种形态，再搭配上精细的表情，让观者对新月柄杆菌过目不忘。（滑动下文查看）
1.Mukherjee S and BL Bossier. (2019). Bacterial quorum sensing in complex and dynamically changing environments. Nature Reviews Microbiology 17:371-382.
2.Matilla M, D Martín-Mora, J Gavira, TJM Krell and mbr MMBR. (2021). Pseudomonas aeruginosa as a Model To Study Chemosensory Pathway Signaling. 85.
3.Ortega DR, W Yang, P Subramanian, P Mann, A Kjaer, SY Chen, KJ Watts, S Pirbadian, DA Collins, R Kooger, MG Kalyuzhnaya, S Ringgaard, A Briegel and GJ Jensen. (2020). Repurposing a chemosensory macromolecular machine. Nature Communications 11.
4.Liew ATF, YH Foo, YF Gao, P Zangoui, MK Singh, R Gulvady and LJ Kenney. (2019). Single cell, super-resolution imaging reveals an acid pH-dependent conformational switch in SsrB regulates SPI-2. Elife 8.
5.蔡俊鹏 and 赵J 微生物学报. (2006). 蛭弧菌的最新研究进展. 46:1028-1032.
6.国外医药：抗生素分册 顾J. (2020). 外排泵抑制剂研究进展. v.41:3-12.
7.Samuel ADT, TP Pitta, WS Ryu, PN Danese, ECW Leung and HC Berg. (1999). Flagellar determinants of bacterial sensitivity to chi-phage. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 96:9863-9866.
8.Collier JJBebaGrm. (2019). Cell division control in Caulobacter crescentus. 1862:685-690.
作者｜赵婧
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