细菌是如何附着在肠道纤维上的

2020-11-04 105细菌

细菌是如何附着在肠道纤维上的?研究人员揭示了一种新的分子机制,细菌通过这种机制粘附在人体肠道中的纤维素纤维上。得益于两种不同的结合模式,它们可以抵御体内的剪切力。巴塞尔大学和苏黎世联邦理工学院的科学家在《自然通讯》杂志上发表了他们的研究成果。

研究背景

纤维素是植物细胞壁的主要构件,由分子连接成固体纤维。对于人类来说,纤维素是不可消化的,大多数肠道细菌缺乏分解纤维素所需的酶。

然而,最近在人类肠道样本中检测到了纤维素分解菌R.champanellensis的遗传物质。肠道的细菌定植对人类生理学至关重要,了解肠道细菌是如何附着在肠道纤维上的,可以拓宽我们对微生物组及其与人类健康关系的认识。

正在研究的细菌利用细胞外壁上错综复杂的支架蛋白和酶网络(称为纤维素体网络)来附着和降解纤维素纤维。这些纤维素体网络由相互作用的蛋白质家族保持在一起。

特别值得关注的是负责将纤维素体网络固定在细胞壁上的cohesin-dockerin相互作用。这种相互作用需要承受体内的剪切力来粘附在纤维上。这一重要特征促使研究人员更详细地研究锚定复合物如何响应机械力。

细菌是如何附着在肠道纤维上的

通过使用单分子原子力显微镜、单分子荧光和分子动力学模拟的组合,来自巴塞尔大学和苏黎世联邦理工学院的Michael Nash教授与慕尼黑LMU和奥本大学的合作者一起研究了该复合物如何抵抗外力。

他们能够证明,该复合物表现出一种罕见的行为,称为双重结合模式,即蛋白质以两种不同的方式形成复合物。研究人员发现,这两种结合模式具有非常不同的机械特性,其中一种在200皮纳瓦吨左右的低力时就会断裂,而另一种则表现出更高的稳定性,只有在600皮纳瓦吨的力时才会断裂。

进一步的分析表明,蛋白质复合物表现出一种被称为 "捕获键 "的行为,这意味着随着力的加大,蛋白质的相互作用会变得更强。这种相互作用的动力学被认为允许细菌在剪切应力下粘附在纤维素上,并释放复合物以响应新的基质或探索新的环境。

"我们清楚地观察到了双重结合模式,但只能推测其生物学意义。我们认为细菌可能通过修改蛋白质来控制结合模式的偏好。这将允许根据环境从低粘附状态切换到高粘附状态,"Nash教授解释说。

研究意义

通过阐明这种自然粘附机制,这些发现为开发表现出类似行为但能与疾病目标结合的人工分子机制奠定了基础。这种材料可以应用于基于生物的医疗超胶或治疗性纳米颗粒在体内的剪切增强结合。"目前,我们很高兴能回到实验室,看看有什么能坚持下去。"纳什说。

引用

University of Basel. "How bacteria adhere to fiber in the gut: Molecular mechanics of bacterial superglue." ScienceDaily. ScienceDaily, 28 August 2020. www.sciencedaily.com/releases/2020/08/200828115357.htm.

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