与潜艇的压载舱或鱼鳔的功能类似，许多水生细菌使用气体囊泡（gas vesicles，简称气囊）来调节它们的漂浮性。如今，在一项新的研究中，来自荷兰代尔夫特理工大学的研究人员首次描述了气囊的分子结构。这些气囊近期也被重新用作超声成像的造影剂。相关研究结果发表在2023年3月2日的Cell期刊上，论文标题为“Cryo-EM structure of gas vesicles for buoyancy-controlled motility”。

气囊是空心的、圆柱形的纳米结构，由一种基于蛋白的薄外壳制成，并充满了气体。在功能上潜艇的压载舱或鱼鳔，许多水生细菌利用这些结构来调节它们的漂浮性。论文共同通讯作者、代尔夫特理工大学生物纳米科学系助理教授Arjen Jakobi说，“比如，某些蓝细菌利用气囊漂浮到表面，以收获光线进行光合作用，这种现象有时在有毒藻类水华中大规模出现。”

(资料图)

保持漂浮状态

对这类结构有非常具体的要求：细菌要保持漂浮，气囊必须占据细胞的很大一部分，这涉及到形成尺寸超过数百纳米的区室。为了最大限度地提高可漂浮性，这种外壳必须由最少的材料构成。与此同时，这种外壳需要抵抗来自周围水的压力，以保持随着水深变化而漂浮的能力。因此，气囊已经进化为刚性的薄壁结构，由一种蛋白组成，这种蛋白重复数千次以形成气囊外壳。

论文第一作者、Jakobi实验室博士生Stefan Huber说，“尽管进行了大量的努力，但是气囊的分子结构以及因此对其独特特性的分子水平的理解仍然遥不可及。但是近期非常先进的电子显微镜硬件和图像处理算法的发展使我们能够在接近原子的细节上解析出这种结构。我们如今可以呈现出气囊外壳的低温电镜（cryo-EM）结构，从而为气囊如何生长以及使细菌漂浮的独特进化适应性提供详细的见解。”

锡制食品罐头

气囊蛋白GvpA具有波纹状的壁结构，是典型的受力薄壁圆柱体，类似于锡制食品罐头的带肋金属片。小孔使得气体分子能够穿过这种外壳，而气囊内表面的化学特性有效地排斥水。这种设计使得气囊可以有选择地充满气体。在广泛的不同细菌物种间的比较表明，气囊的这种基本设计在整个进化过程中保持不变。

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.01.041。

这种结构提供了迷人的新见解，使人们了解到细菌为了使它们能够在水环境中漂浮而进化出的奇特的分子特征，此外在纳米尺度上，它还揭示了在压力下维持薄的中空结构所需的巧妙的工程原理。

超声波

这项新的研究还将促进对气囊进行分子设计用于超声成像。Jakobi说，“在这项新的研究中，我们与代尔夫特理工大学影像物理系的David Maresca实验室进行了合作，他与我们接触，希望可视化观察他实验室生产的气囊。”在Maresca的实验室里，博士生Dion Terwiel旨在通过调整气囊的遗传密码，将气囊造影剂用于超声成像。充满气体的气囊和周围的细胞结构之间较高的密度对比使它们在超声图像中变得明亮，而且它们的特殊性质是对目前造影剂的潜在改进。Terwiel说，“我们所获得的见解使我能够更精确地重新设计这些声学生物分子。”

Maresca补充说，“自2014年以来，人们对气囊重新产生了兴趣，因为这些气囊可以作为超声波的‘绿色荧光蛋白’。了解气囊的结构将有助于我们设计声学生物传感器，以便在组织深处‘窥探’生物过程。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Stefan T. Huber et al. Cryo-EM structure of gas vesicles for buoyancy-controlled motility. Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.01.041.