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微生物学家解决了磁性细菌中罗盘针的神秘面纱

Magnetospirillum gryphiswaldense物种的细菌是单细胞生物,可以准确地将它们的运动与地球的磁场对齐。他们将这种能力归功于称为磁小体的微小磁铁矿晶体。在螺旋形细菌细胞中,晶体形成稳定的直链,其作用类似于罗盘针。拜罗伊特大学的微生物学家与Martinsried的Max Planck生物化学​​研究所和慕尼黑大学的研究伙伴一起发现,磁小体链的形状和位置很大程度上取决于蛋白质MamY。在“自然微生物学”杂志上,他们现在展示了他们的最新发现。

一些动物,如候鸟或蜜蜂,以及某些单细胞生物,可以利用地球的磁场进行导航。虽然科学仍然无法解释动物的这种“第六感”,但它已经在细菌中被部分理解。人们早就知道该物种是Magnetospirillum gryphiswaldense的细菌是趋磁性的,即它们可以利用地球的磁场进行导航。每个细菌在其细胞中形成多达50个磁小体,它们附着在线状结构上。这种附着使得磁铁矿晶体不会由于它们自身的磁力拉动而聚集在一起,而是排成一排,因此具有罗盘针的功能。这使细菌能够在游泳过程中跟随地球磁场的方向,从而更快地到达他们喜欢的栖息地 - 水体沉积物。

然而,为什么这种灵活的磁小体链采取如此稳定的线性形式 - 而细菌细胞呈现螺旋形状,这是一个谜。此外,在一些细菌中观察到短的磁小体链,这些细菌显然在没有已知的丝状结构的情况下形成。因此,假设必须有另一种支持蛋白质来帮助趋磁细菌产生指南针。

由拜罗伊特大学的FrankMüller博士和DirkSchüler教授领导的研究小组现在已经发现了这种蛋白质。高灵敏度仪器和方法(包括超分辨率显微镜和低温电子断层扫描)的实验表明:结构蛋白质MamY不仅导致磁小体链的直线排列,而且还将该链置于细菌细胞中。优化的位置,用于游泳运动与地球磁场的对齐,即完全平行于细胞的纵轴。在不含MamY的细菌中,磁铁矿晶体形成链,但不是线性形式。可以说,罗盘针弯曲,导致细胞他们游泳时摇晃。在没有已知丝状结构的细菌中,根本没有检测到链,因为磁小体只是聚集在一起。

“所有这些观察都证实了这一结论:MamY是将磁小体链排列在细胞内的关键蛋白质,使罗盘针的功能得以完美实现。蛋白质使细菌能够以最佳方式导航,”Frank医生解释说。 Müller,该研究的主要作者,拜罗伊特大学微生物学系的科学家。

在他们的出版物中,研究人员还展示了结构蛋白MamY如何成功地将棒状罗盘针放入螺旋形细菌细胞中。它识别曲线细胞表面具有最强曲率的区域。在这样做时,它标志着细胞两端之间的最短连接,即所谓的“大地轴”。然后将磁小体链锚定在此处。这使细菌能够高精度地沿着地球的磁场移动。

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