细菌的特殊结构有哪些（揭秘细菌内部结构，世界上最大的迷宫）

从外形上看，细菌似乎平淡无奇，但是，得益于新的成像技术，不少新研究表明，细菌的内部远比它的外表有趣和丰富：它们有的像小塔，有的像鱼钩，有的像火车轨道，还有的像马蹄铁……

英国肯特大学的结构和细胞生物学家Martin Warren说，许多年以来，科学家们一直认为细菌除了各种酶组成的“包”外没有什么内部结构。但是，现在已有研究人员发现细菌内部其实具有丰富的神秘结构和隔间，相关论文发表在6月12日的《细菌学》杂志上。

不过科学家们还不清楚这些结构具有什么功能，可以确认的是，建立这些复杂的结构对细菌来说是相当耗能的。

图丨“埃菲尔铁塔” ：一种称为Prosthecobacter debontii的淡水细菌表面附有类似于埃菲尔铁塔的附属物。如图，左上和左上插图为冷冻电子断层扫描图像，右图和右上插图分别为3-D重构后的侧视图和顶视图。迄今，科学家并不了解这个复杂附属物的功能

另一个研究团队则在6月23日《科学》杂志上首次展示了一个完整的细菌细胞区室（microcompartment）。细胞区室是细菌用来将某些化学反应与细胞其余部分分离的蛋白质壳结构，了解细胞区室是如何组成的在生物技术和医学中具有重要意义。

Warren（一个未参与上述两项研究的科学家）说，这两项研究表明细菌远比我们想象的复杂，“这些内部结构真的很不可思议，那些觉得微生物无趣的人应该看看这些研究。”

图丨“神秘圣地”：细菌利用蛋白质壳将特定重要的化学反应集中在一个地方，这样的蛋白质壳就叫做区室。研究人员对一种称为Halignium ochraceum的细菌中的一个区室进行了三维模拟。如图所示，其蛋白壳由BMC-H蛋白（蓝色）与BMC-T蛋白（绿色）组成的六角形结构和由BMC-P蛋白（黄色）组成的五边形结构构成。除了病毒以外，它是科学家们在原子水平分辨率看到过的最大的蛋白质结构

自20世纪50年代以来，生物学家已经认识到，光合蓝细菌可以制造出称为“羰酶体”的细胞区室，这对光合作用来说非常重要。此外，大约20％的细菌——即使是不进行光合作用的细菌——也具有制作类似区室的基因。只有当细菌遇到可以作为食物的某些分子时，这些区室基因才会得到表达。例如，一些致病细菌含有具有能帮助它们消化人类肠道粘液的小区室。

图丨Caulobacter crescentus细菌常常含有包裹着存储颗粒（红色）的扁平囊泡（绿色）

在细胞区室被真正解密之前，已经有许多研究人员致力于设计微型区室来制造药物、工业化学品或生物燃料。然而这很困难，因为科学家们并没有完全了解微型区室的结构。他们知道蛋白质聚在一起形成五边形和六边形的功能单位，但却不知道亚单位是如何聚集成多维结构的。伊利诺伊州埃文斯顿西北大学的合成生物学家Danielle Tullman-Ercek说：“这就好像在玩乐高积木，但人们并不了解砖块是如何组装在一起的。”

图丨螺旋纤维结构：一种称为Hyphomonas neptunium海洋菌的生长茎内的螺旋纤维，研究人员认为这可能是由超螺旋DNA组成的

此外，爱尔兰科克大学医学微生物学家Michael Prentice还指出，这些独立单位具有一定的弯曲度，比如一个单位的一侧是凹陷的，而在另一侧则是凸起的。但是问题是，凹陷或凸起的结构是否仍位于微型区室内呢？

现在已经有针对这个问题的满意答案了。据《科学》报道，由密西根州立大学和加利福尼亚州的劳伦斯伯克利国家实验室的结构生物学家Cheryl Kerfeld领导的研究人员们利用X射线晶体学和低温电子显微镜技术探究了Halignium ochraceum细菌的区室，并且发现这些凹陷结构覆盖了微型区室的外部，就如同高尔夫球上的凹坑一样。

图丨霍乱弧菌（引起霍乱的细菌）产生的伸长的网状结构

Kerfeld的团队还发现，这些亚单位的侧面可以彼此接触组成“平板”，并且能够以一定角度联合起来形成曲面。“我们根本没有预测到会发现这一点，”Kerfeld说。此外，研究人员发现，一些六边形亚单位会堆叠在彼此的顶部，形成不规则的球形。截至目前，该小组仍在探索区室亚单位结构如何影响区室的功能。

图丨囊泡气泡状的细胞区室：研究人员已经发现了细菌的一些神秘结构，诸如Halothiobacillus neapolitanus细菌的被称为囊泡气泡状的细胞区室（绿色），其位于细胞膜（青色）和细胞壁（紫色）之间（上：冷冻电子断层扫描图像; 下：3-D重建）

其实，微型区室并不是细菌内唯一的神秘结构。在过去十年间，Caltech的结构细胞生物学家Grant Jensen及其同事还发现了一些其他的神秘结构，如艾菲尔铁塔，鱼钩，马蹄铁，铁轨，灯丝和网格的结构。他们采用的方法是利用电子冷冻成像技术对88种细菌拍摄超过15,000幅图像，该技术的基本原理是快速冷冻细胞，从而使得水分子不能形成晶体。因此，细胞的结构不会在成像过程中被破坏，而是保留原先的状态，从而让研究人员看到它们真正的模样。

图丨马蹄状结构：一些细菌将膜弯曲成马蹄形状，如生活在土壤和水中的Ralstonia eutropha细菌；这种囊泡结构有助于它分解土壤中的化学物质

Jensen说：“我们利用这项技术来发现这些亚单位的速度比鉴定它们要快得多。”他的团队在《细菌学》杂志上发表了这些图像，因为他们认为“最好的科学进展应该展现给所有人”。他希望与其他研究人员一起分享这些图像能够有助于解开这些结构和其功能之谜。