中国学者发表eLife：首次实现鞭毛组装实时动态荧光成像
2017年1月18日，北京大学生命科学学院生物动态光学成像中心白凡课题组与台湾中央大学罗健荣课题组合作在《eLife》杂志上在线发表了题为“Length-dependent flagellar growth of Vibrio alginolyticus revealed by real time fluorescent imaging”的研究论文。在该文中，研究人员首次实现了对单细胞溶藻弧菌（Vibrio alginolyticus）极生鞭毛的实时动态荧光成像，深入探究了其鞭毛的生长过程。该研究发现，溶藻弧菌鞭毛的生长速率与其鞭毛的长度有着明显的相关性，并提出了相关的数学模型阐释实验结果。这项研究对于理解细菌蛋白的胞外运输和组装具有重要意义。
细菌通过鞭毛的旋转进行游动。鞭毛作为一个复杂而精细的胞外蛋白复合体，其组装过程需要鞭毛相关蛋白去折叠后通过三型分泌系统运出，穿过狭窄的鞭毛通道，最后在鞭毛远端重新折叠，鞭毛也由此不断延伸。过去关于鞭毛的研究主要集中在鞭毛马达以及鞭毛系统中大分子的结构与功能，对于鞭毛蛋白的胞外运输及鞭毛生长的动态过程鲜有报道。由于成像技术手段的限制，活体观察细菌鞭毛的实时生长非常困难。外直径只有20纳米的鞭毛丝在明场下不可见，而具有超高分辨率的电镜却无法观察活细胞。近年来虽然有出现荧光染料标记大肠杆菌鞭毛的方法，但是至今仍旧无法做到实时观测。
为了实现实时观测细菌鞭毛的生长过程，白凡课题组与罗健荣课题组运用NanoOrange荧光染料对溶藻弧菌进行标记。游离状态的NanoOrange荧光强度很低，只有当其结合鞭毛外表面的鞭毛鞘时会发出明亮的荧光，因此可以将其用于指示鞭毛，并且在培养溶液含有染料的情况下对鞭毛的生长过程进行长时间的观察。通过这种染料快速标记的荧光成像，研究人员以较高的空间和时间分辨率准确测量鞭毛的生长速率。结果显示，无论是在细菌群体水平还是单细胞水平，溶藻弧菌的鞭毛生长速率明显依赖于其鞭毛长度。当鞭毛长度小于1500纳米时，鞭毛以恒定的速度生长；当鞭毛继续变长时，其生长速率会迅速下降。为了解释实验观察得到的结果，研究人员通过数学建模模拟了鞭毛蛋白亚基在鞭毛通道里面的运输过程。该模型的一个关键点是考虑鞭毛基部的三型分泌系统将去折叠的鞭毛亚基转运出细胞进入鞭毛通道时，能够将其推动一段距离。因此，当鞭毛较短时，其生长速率主要取决于鞭毛基部的上样速率；而随着鞭毛逐渐生长变长，鞭毛亚基在鞭毛通道里的扩散成为了限速步骤，使得生长速率急剧下降。这项工作对于进一步研究胞外复合体的蛋白运输和动态组装都具有重要意义。
罗健荣教授和白凡研究员为该论文的共同通讯作者。台湾中央大学物理系博士生陈美廷，北京大学生命科学学院2013级博士生赵梓伊、北京大学生命科学学院2011级本科生杨津（现为美国威斯康辛大学麦迪逊校区博士生）为该论文并列第一作者。本研究得到了国家自然科学基金以及人类前沿科学计划(HFSP)的支持。
