Cell Cycle, Filament Growth and Synchronized Cell Division in Multicellular Cable Bacteria

在延時(shí)成像孵化系統(tǒng)中，父系對(duì)胚胎細(xì)胞分裂的早期和晚期貢獻(xiàn)

來源：Frontiers in Microbiology 1 January 2021 | Volume 12 | Article 620807

 

1. 摘要核心內(nèi)容

 

本研究通過結(jié)合雙標(biāo)記穩(wěn)定同位素探測(cè)（13C和1?N）、納米二次離子質(zhì)譜（nanoSIMS）、熒光顯微鏡和基因組分析，揭示了電纜細(xì)菌（cable bacteria）獨(dú)特的細(xì)胞周期與生長(zhǎng)機(jī)制：

 

細(xì)胞周期與單細(xì)胞細(xì)菌相似：電纜細(xì)菌的細(xì)胞分裂過程與革蘭氏陰性模型菌（如大腸桿菌）高度保守（圖6）。

 

 

同步化細(xì)胞分裂：同一絲狀體內(nèi)的細(xì)胞在毫米尺度上呈現(xiàn)高度同步的分裂行為（圖3-4），這是由長(zhǎng)距離電子傳輸驅(qū)動(dòng)的獨(dú)特現(xiàn)象。

 

 

 

“氧氣起搏器”模型：提出新模型解釋同步分裂機(jī)制——電纜細(xì)菌僅在接觸氧氣時(shí)啟動(dòng)長(zhǎng)距離電子傳輸，從而觸發(fā)全絲同步生長(zhǎng)與分裂（圖7）。

 

 

2. 研究目的

 

解析電纜細(xì)菌的細(xì)胞周期：明確其細(xì)胞分裂、絲狀生長(zhǎng)與單細(xì)胞細(xì)菌的異同。

 

揭示同步分裂機(jī)制：探索多細(xì)胞絲狀體中細(xì)胞分裂同步化的驅(qū)動(dòng)因素。

 

建立代謝-生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)：闡明長(zhǎng)距離電子傳輸（LDET）如何調(diào)控碳氮同化與細(xì)胞增殖。

 

3. 研究思路

 

模型構(gòu)建：

 

從荷蘭鹽沼沉積物中富集電纜細(xì)菌（Candidatus Electrothrix屬）。

 

構(gòu)建雙標(biāo)記SIP實(shí)驗(yàn)（13C-碳酸氫鹽/丙酸鹽 + 1?N-銨鹽），標(biāo)記時(shí)長(zhǎng)為6h和24h。

 

多尺度觀測(cè)：

 

單細(xì)胞尺度：nanoSIMS成像分析13C/1?N同化空間分布（圖2-3）。

 

絲狀體尺度：熒光顯微鏡（DAPI染色）觀察染色體分離狀態(tài)（圖5）。

 

基因組尺度：比對(duì)電纜細(xì)菌與近緣菌（Desulfobulbus）的細(xì)胞分裂基因簇（表2）。

 

環(huán)境關(guān)聯(lián)：

 

微電極測(cè)量沉積物O?/H?S/pH剖面（方法部分），定位氧化-亞氧化分區(qū)。

 

從氧化區(qū)（0-2 mm）和亞氧化區(qū)（5-10 mm）分別分離絲狀體分析。

 

4. 關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

(1) 同位素同化均勻性（圖1 & 表1）

 

 

數(shù)據(jù)來源：nanoSIMS分析21根絲狀體（596個(gè)細(xì)胞）的13C/1?N原子分?jǐn)?shù)。

 

發(fā)現(xiàn)：同一絲狀體內(nèi)細(xì)胞間同位素富集變異系數(shù)（CV）僅2-10%（表1），而絲狀體間差異顯著（圖1A-B）。

 

意義：證明電纜細(xì)菌的碳氮同化在絲狀體內(nèi)部高度均一，支持分布式生長(zhǎng)模式（非頂端生長(zhǎng)）。

 

(2) 同步化細(xì)胞分裂證據(jù)（圖3-4）

 

數(shù)據(jù)來源：高分辨率nanoSIMS成像（如絲狀體#20）。

 

發(fā)現(xiàn)：

 

分裂期細(xì)胞中段出現(xiàn)13C/1?N富集盤狀結(jié)構(gòu)（圖3B-C），代表新合成的分裂體（divisome）。

 

同一絲狀體上相距2.3 mm的細(xì)胞同步出現(xiàn)分裂帶（圖4）。

 

意義：首次證實(shí)電纜細(xì)菌存在毫米級(jí)同步分裂，顛覆了傳統(tǒng)細(xì)菌異步分裂的認(rèn)知。

 

(3) 氧化區(qū)與亞氧化區(qū)細(xì)胞狀態(tài)差異（圖5）

 

數(shù)據(jù)來源：DAPI染色熒光顯微鏡觀察。

 

發(fā)現(xiàn)：

 

亞氧化區(qū)細(xì)胞：染色體分離為新月形極定位（圖5A），指示活躍分裂。

 

氧化區(qū)細(xì)胞：染色體呈單一大塊狀（圖5B），無分裂跡象。

 

意義：證實(shí)細(xì)胞分裂僅發(fā)生于亞氧化區(qū)（硫氧化細(xì)胞），氧化區(qū)細(xì)胞（氧還原細(xì)胞）不增殖。

 

(4) 細(xì)胞分裂基因保守性（表2）

 

 

數(shù)據(jù)來源：基因組比對(duì)（電纜細(xì)菌 vs. Desulfobulbusvs. 大腸桿菌）。

 

發(fā)現(xiàn)：

 

保守基因：ftsZ（Z環(huán)形成）、ftsA（膜錨定）、minCDE（分裂位點(diǎn)定位）等。

 

缺失基因：zipA（膜連接蛋白）、ftsN（分裂體激活因子）。

 

意義：電纜細(xì)菌分裂機(jī)制與單細(xì)胞細(xì)菌相似，但存在特異性調(diào)控（如缺失ftsN可能通過其他蛋白補(bǔ)償）。

 

5. 核心結(jié)論

 

細(xì)胞周期三階段模型（圖6）：

 

階段1（伸長(zhǎng)）：側(cè)向細(xì)胞包膜均一延伸（圖2A-B）。

 

階段2（分裂啟動(dòng)）：染色體復(fù)制后形成Z環(huán)（圖2E-F）。

 

階段3（分裂完成）：分裂體組裝與隔膜合成（圖3D）。

 

氧氣驅(qū)動(dòng)同步分裂機(jī)制（“氧氣起搏器”模型，圖7）：

 

絲狀體需接觸氧氣（“接入”狀態(tài)）才能啟動(dòng)LDET和能量合成。

 

氧氣中斷（“斷開”狀態(tài)）導(dǎo)致代謝停滯，重啟后觸發(fā)全絲同步生長(zhǎng)與分裂。

 

代謝分區(qū)與生長(zhǎng)限制：

 

僅亞氧化區(qū)細(xì)胞（硫氧化）能同化碳氮并分裂。

 

氧化區(qū)細(xì)胞（氧還原）僅傳遞電子，不增殖。

 

6. 丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

技術(shù)原理與方法

 

設(shè)備型號(hào)：Unisense微電極系統(tǒng)（O?、H?S、pH傳感器）。

 

工作原理：

 

O?微電極：基于電化學(xué)還原反應(yīng)（O? + 4H? + 4e? → 2H?O），電流強(qiáng)度與O?濃度成正比。

 

H?S微電極：通過擴(kuò)散層測(cè)量H?S氧化電流。

 

pH微電極：玻璃電極響應(yīng)H?活度變化。

 

實(shí)驗(yàn)流程：

 

傳感器校準(zhǔn)后插入沉積物，以50-100 μm步進(jìn)測(cè)量剖面。

 

記錄O?/H?S/pH隨深度變化，定位氧化-還原界面。

 

研究意義

 

驗(yàn)證代謝分區(qū)假設(shè)：

 

數(shù)據(jù)顯示O?在0-2 mm深度耗盡，H?S在>5 mm深度出現(xiàn)（方法部分）。

 

關(guān)鍵證據(jù)：證實(shí)電纜細(xì)菌的“陽極細(xì)胞”（亞氧化區(qū)）與“陰極細(xì)胞”（氧化區(qū)）空間分離，為L(zhǎng)DET提供環(huán)境基礎(chǔ)。

 

量化電子傳遞驅(qū)動(dòng)力：

 

pH剖面顯示氧化區(qū)酸中毒（H?積累）、還原區(qū)堿化（OH?積累）（方法部分）。

 

機(jī)制關(guān)聯(lián)：跨區(qū)pH梯度（ΔpH≈2）是LDET的質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力來源，支持能量守恒模型。

 

指導(dǎo)SIP實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：

 

微電極數(shù)據(jù)界定氧化/亞氧化分區(qū)，確保同位素標(biāo)記細(xì)胞（亞氧化區(qū)）與無標(biāo)記細(xì)胞（氧化區(qū)）的精準(zhǔn)分離。

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)

 

高空間分辨率：μm級(jí)精度捕捉沉積物微環(huán)境梯度。

 

原位無損測(cè)量：避免沉積物擾動(dòng)，真實(shí)反映電纜細(xì)菌生境。

 

多參數(shù)同步：O?/H?S/pH聯(lián)測(cè)揭示氧化還原耦合機(jī)制。

 

總結(jié)

 

本研究通過多學(xué)科技術(shù)整合，首次揭示電纜細(xì)菌的同步化細(xì)胞分裂機(jī)制及其與長(zhǎng)距離電子傳輸?shù)呐悸?lián)關(guān)系。丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)為代謝分區(qū)提供了關(guān)鍵環(huán)境證據(jù)，而nanoSIMS與基因組分析則從單細(xì)胞到分子水平解析了分裂同步性的成因。提出的“氧氣起搏器”模型為理解多細(xì)胞細(xì)菌的群體行為提供了新范式，也為人工調(diào)控電纜細(xì)菌在生物修復(fù)中的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。