Surviving salt fluctuations: stress and recovery in Halobacterium salinarum, an extreme halophilic Archaeon  

鹽度波動下的生存：極端嗜鹽古菌鹽桿菌的壓力與恢復(fù)  

來源：Scientific Reports, (2020) 10:3298

《科學(xué)報(bào)告》，2020年 第10卷第3298期

 

摘要內(nèi)容

該研究探討了極端嗜鹽古菌Halobacterium salinarum在低鹽環(huán)境下的應(yīng)激與恢復(fù)機(jī)制。嗜鹽蛋白在體外低于15%鹽濃度時(shí)會因錯誤折疊、聚集或沉淀而變性，但Halobacterium salinarum卻在鹽度波動的自然環(huán)境中（如沿海鹽田甚至死海深處的淡水泉附近）被檢測到。研究通過評估低鹽培養(yǎng)基中孵育并恢復(fù)至高鹽生理?xiàng)l件下的亞群復(fù)活能力，結(jié)合呼吸耗氧量、活死染色與流式細(xì)胞術(shù)檢測細(xì)胞存活率，以及體內(nèi)中子散射實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)暴露于嚴(yán)重低鹽條件的細(xì)胞亞群能夠快速恢復(fù)其蛋白質(zhì)組的功能性分子動力學(xué)，這對其在鹽度波動環(huán)境中的生態(tài)分布具有關(guān)鍵意義。  

 

研究目的

探究Halobacterium salinarum在低鹽壓力下的生存機(jī)制及其恢復(fù)能力，揭示其如何在鹽度波動環(huán)境中存活和傳播。  

 

研究思路

將Halobacterium salinarum置于不同低鹽條件（2.5 M至0.5 M NaCl）下處理不同時(shí)間（1小時(shí)、24小時(shí)、7天），然后轉(zhuǎn)移回生理鹽濃度（4.2 M NaCl）進(jìn)行恢復(fù)；通過測量細(xì)胞生長、膜完整性（流式細(xì)胞術(shù)）、呼吸活性（氧消耗）、細(xì)胞形態(tài)（顯微鏡觀察）和蛋白質(zhì)組分子動力學(xué)（中子散射），綜合分析其應(yīng)激響應(yīng)和恢復(fù)過程。  

 

測量的數(shù)據(jù)：  

1 細(xì)胞生長曲線（圖1）  

 

2 細(xì)胞膜完整性和DNA完整性（流式細(xì)胞術(shù)，圖2和圖3）  

 

 

3 細(xì)胞形態(tài)變化（時(shí)間推移顯微鏡，圖4）  

 

4 呼吸活性（氧消耗測量，圖5）  

 

5 蛋白質(zhì)組分子動力學(xué)參數(shù)（中子散射，圖6和圖7）  

 

 

測量數(shù)據(jù)的研究意義  

1 細(xì)胞生長曲線顯示低鹽條件下細(xì)胞生長受抑制但部分群體可恢復(fù)，說明存在耐低鹽亞群（圖1）。  

2 流式細(xì)胞術(shù)數(shù)據(jù)揭示細(xì)胞膜和DNA損傷程度隨鹽度降低和時(shí)間延長而增加，但部分細(xì)胞保持完整性，表明其具有恢復(fù)潛力（圖2和圖3）。  

3 顯微鏡觀察顯示細(xì)胞從圓形逐漸恢復(fù)為典型桿狀形態(tài)并分裂，證實(shí)形態(tài)和分裂能力的恢復(fù)（圖4）。  

4 呼吸活性測量表明低鹽下呼吸速率下降但恢復(fù)后迅速上升，反映能量代謝的快速恢復(fù)（圖5）。  

5 中子散射數(shù)據(jù)表明低鹽導(dǎo)致蛋白質(zhì)組分子動力學(xué)擾動（軟化），但恢復(fù)后力常數(shù)迅速回歸正常，證明功能性分子動力學(xué)的可逆恢復(fù)（圖6和圖7）。  

 

詳細(xì)解讀使用丹麥unisense電極測量出來的數(shù)據(jù)的研究意義：  

使用丹麥Unisense微氧電極測量的呼吸活性數(shù)據(jù)（圖5）直接反映了細(xì)胞能量代謝狀態(tài)。數(shù)據(jù)顯示，低鹽條件下呼吸速率顯著下降（尤其是低于1.5 M NaCl及長時(shí)間暴露），但一旦轉(zhuǎn)移回高鹽條件，呼吸活性立即恢復(fù)（甚至 after 7 days at 0.5 M NaCl）。這表明即使經(jīng)歷極端低鹽壓力，部分細(xì)胞仍保留完整的呼吸鏈和離子泵功能，能夠快速重啟能量生產(chǎn)，為蛋白質(zhì)修復(fù)、分子伴侶作用和離子穩(wěn)態(tài)恢復(fù)提供能量基礎(chǔ)。這些數(shù)據(jù)證實(shí)了細(xì)胞在低鹽應(yīng)激下仍維持基本代謝能力，并突顯其恢復(fù)的迅速性和高效性，對理解嗜鹽古菌在鹽度波動環(huán)境中的生存策略至關(guān)重要。  

 

結(jié)論：  

1 Halobacterium salinarum中存在一個亞群體能夠耐受低鹽壓力（低至0.5 M NaCl）并在恢復(fù)至高鹽條件后復(fù)活。  

2 低鹽導(dǎo)致蛋白質(zhì)組分子動力學(xué)擾動、生長停滯、形態(tài)變化和代謝下降，但恢復(fù)過程伴隨分子動力學(xué)快速正常化、呼吸活性立即恢復(fù)以及形態(tài)和分裂能力逐步重建。  

3 恢復(fù)機(jī)制可能涉及分子伴侶（如熱休克蛋白和Ssp45）、蛋白酶體清除損傷蛋白以及離子轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的快速重啟。  

4 該研究揭示了嗜鹽古菌在鹽度波動環(huán)境中的生存策略，對其生態(tài)分布和適應(yīng)氣候變化具有重要意義。