希瓦氏菌纳米导线被证实是外膜和周质延伸产物
摘要：
希瓦氏菌Shewanellaoneidensis MR -1在氧气胁迫的环境下，可以生成纳米导线（nanowire），可以利用金属氧化物其作为电子受体进行胞外呼吸。最新研究指出，S.oneidensisMR-1的纳米导线是细菌含有胞外电子传递组分的外膜与周质的延伸，而不是菌毛类似物（pilus-like）。
正文：
希瓦氏菌Shewanellaoneidensis MR -1是属于γ变形菌门的G- 菌，兼性厌氧，具有还原金属的能力。在氧气胁迫的环境下，可以生成纳米导线（nanowire），与金属氧化物（如铁、锰，）接触，利用其作为电子受体进行胞外呼吸，形成所谓胞外电子传递（EET）的途径。
对于希瓦氏菌S.oneidensisMR-1纳米导线的先前研究认为它是一种菌毛类似物（pilus-like），并且它的形成与II型分泌途径有关。但是最新研究指出，S.oneidensisMR-1的纳米导线是细菌含有胞外电子传递组分的外膜与周质的延伸，与胞外还原性蛋白的产生有关，并且暗示其导电机理符合多步还原跳跃机制（a multistep redoxhopping mechanism）。
这项研究强调了以往类似研究的基本缺陷：这些纳米导线从未在活体细菌中直接观察，而且过去的测量是以适用于干燥无机物的固相检测设备进行的，不能揭示出导电结构与活细胞呼吸传递链的内在联系。
该研究利用“微流体层状灌流成像平台”（a microliter-volumelaminar perfusion flow imaging platform）实现了纳米导线的活体成像（视频1，图1，见附件）。在转换到厌氧条件培养后20min，有65±8%的细胞产生纳米导线，平均长度2.5μm，最长可达9μm，干燥条件下直径为10nm。结合原子力显微镜（AFM），研究团队发现，纳米导线的形成开始的同时有一个球形膜质囊泡形成。之后，形成囊泡链，再转换成含囊泡的部分光滑纤维，最后形成连续的纳米导线（图2）。这样的延伸过程有利于提高表面积/体积比，更有利于细菌找到固相矿物。
在对纳米导线构成的探究上，该小组利用膜标记染料FM4-64FX，蛋白染料NanoOrange标记，发现纳米导线含有脂质和蛋白质。又将GFP加上进入周质的信号序列，并且将YFP融合进周质氢化酶大亚基HydA上，发现纳米导线中均出现相应荧光，而当GFP只在胞内表达时，纳米导线中将不出现荧光（图2）。这表明纳米导线中存在周质空间。另外，本项研究还对比了在乳糖（作为电子供体）胁迫向 O2胁迫转换的前后IV型菌毛相关基因的表达含量，并未有上升迹象。而且，IV型菌毛缺失突变株同样具有野生型的产生和利用纳米导线的能力。所以排除了纳米导线是由菌毛构成的可能。
研究人员还用特异性抗体定位外膜十血红素细胞色素（decahemecytochrome）MtrC和OmcA会沿着纳米导线分布。而先前的研究指出缺失这两个细胞色素的细胞产生的纳米导线不具有导电功能。所以这强有力的支持了多步还原跳跃的导电机制假说（图3）。
另外，硫还原地杆菌（Geobacter sulfurreducens）的纳米导线还被认为是IV型菌毛，并且其导电机制类似金属键，可能与芳香族氨基酸沿菌毛蛋白亚基PilA的堆叠有关。
这项研究不仅纠正了之前关于希瓦氏菌S.oneidensisMR-1纳米导线构成的观点，还指出纳米导线介导的细菌间的连接与通信可能是自然界中细菌的一种普遍策略。
参考文献：
1.Sahand Pirbadian et al.Shewanellaoneidensis MR-1 nanowires are outermembrane and periplasmic extensions of the extracellularelectron transport components. PNAS, 2014, 111(35) :12883–12888; （本文所引用的图片与视频均出自此篇文章）
2.Gorby YA, et al. Electrically conductive bacterial nanowiresproduced by Shewanella oneidensis strain MR-1 and other microorganisms. PNAS,2006, 103(30): 11358–11363.
