生命科学学院白凡课题组揭示大肠杆菌鞭毛生长新机制

2018年5月14日，北京大门生命科学学院生物动态光学成像中间白凡课题组与台湾“中间大学”罗健荣课题组合作在Nature Communications杂志上发表了题为“Frequent pauses in Escherichia coli flagella elongation revealed by single cell real-time fluorescence imaging”的研究论文。在该文中，研究人员首次实现了对大肠杆菌周生鞭毛生长的实时动态荧光成像，深入探讨鞭毛的组装过程。该研究发现，统一长度的大肠杆菌鞭毛，其生长速率会呈现较大差异，而这种差异来自于鞭毛组装过程中的障碍。通过进一步的实验和数学模型，论文揭示了大肠杆菌胞质内鞭毛亚基蛋白的供给不足会引起鞭毛生长过程中的障碍，这项研究对于理解细菌蛋白的胞外运输和组装具有紧张意义。

大肠杆菌寄托鞭毛的旋转进行游动，但其鞭毛的生长过程至今尚未研究清楚。曩昔通过群体测量得到的数据认为，大肠杆菌鞭毛的生长速率恒定不变。近年来荧光成像技术的提高，雄厚了对鞭毛生长模式的研究手段。本文中，研究人员在大肠杆菌的鞭毛亚基——FliC蛋白中插入了四个半胱氨酸标签，并运用FlAsH/ReAsH荧光染料对鞭毛进行标记，结合实时荧鲜明微成像技术和结构光照明超分辨成像技术，探讨了大肠杆菌鞭毛生长模式以及统一细菌上多根鞭毛之间生长速率的关系。

大肠杆菌鞭毛荧光标记与超分辨显微成像

研究人员通过双色/三色荧光标记并结合结构照明超分辨显微成像技术，对大肠杆菌鞭毛生长速度进行了统计，发如今群体水平上大肠杆菌鞭毛的生长速率与鞭毛长度呈现负相干，并且不同鞭毛在雷同长度下的生长速率具有较大差异。在单根鞭毛水平上，研究人员行使实时荧鲜明微成像技术追踪单根鞭毛的延续生长过程，并对多组实验效果进行统计，发现大肠杆菌鞭毛在生长过程中普遍存在生长障碍的征象；同时还发现，统一细菌上的多根鞭毛，其生长和障碍具有相似节奏，可能受到细菌胞内统一因素影响。通过在细胞内过表达鞭毛亚基蛋白FliC，研究者发现大肠杆菌鞭毛生长过程中的障碍率明显降低，揭示了细胞内FliC供给不足是造成大肠杆菌鞭毛生长障碍的紧张缘故原由。研究者通过建立数学模型将FliC浓度转变对鞭毛生长的影响作了进一步阐明和分析。

大肠杆菌鞭毛生长速率测量

白凡研究员和罗健荣教授为该论文的共同通信作者。北京大门生命科学学院2013级博士生赵梓伊、2015级博士生赵轶凡、台湾“中间大学”物理系硕士生庄翔淯为该论文并列第一作者。本项研究得到了国家天然科学基金以及人类前沿科学计划（HFSP）的支撑。

编辑：凌薇