比利时VIB-VUB Center for Structural Biology是JEOL CryoARM冷冻电镜的首批用户之一。该中心于2019年安装了JEOL 300kV冷冻电镜CryoARM以及120kV样品筛选用电镜JEM-1400Flash。
近日，该中心相关研究人员利用JEOL CryoARM300冷冻电镜，揭开了 SlyB 蛋白质的神秘面纱，这是一种存在于某些细菌外膜上的微小但强大的蛋白质。当细菌面临环境压力时，SlyB 就会充当保护细菌细胞免于死亡的重要卫士。这一发现不仅加深了人类对细菌生存机制的了解，还为其在抗菌研究中的潜在应用铺平了道路。研究结果发表在最新的Nature杂志上。
生物学家将细菌分为两大类：革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌。革兰氏阳性菌的特点是只有一层膜，而革兰氏阴性菌则有内外两层膜。正是这第二层膜使得革兰氏阴性细菌格外难以治疗。外膜形成一个重要的保护层，保护细胞免受抗菌肽和抗生素等环境压力的侵袭。在世界卫生组织（WHO）列出的最令人担忧的十大病原体中，这份名单上的大部分病原体是革兰氏阴性菌。因此，科学家们一直在急切地寻找这些具有双层膜的细菌的弱点。现在，VIB-VUB Center for Structural Biology的一个研究小组利用JEOL CryoARM取得了突破性进展：虽然外膜是细菌的保护罩，但它也不是绝对安全的。如果外膜中没有SlyB，当细菌受到外部环境的攻击时（例如接触抗菌肽），外膜中磷脂的规整排列可能会受到破坏。这就导致保护罩上形成了薄弱区，有可能在细胞内的水压作用下破裂，导致细胞内容物喷涌而出，从而导致细胞裂解。
图1. 接触抗菌肽的细菌细胞。如果没有 SlyB，细菌外膜会变弱，细胞内容物会渗出导致细胞裂解。CryoARM冷冻电镜显示了革兰氏阴性细菌完整（左下）和受损（右下）的细胞膜。
SlyB 由一个10 kDa 的外膜β-三明治结构域和一个甘氨酸拉链结构域组成的蛋白质。当细胞感觉到膜被环境攻击时，SlyB 就会发挥作用。这种蛋白质移动到磷脂破损处，在那里形成环形纳米盘结构（类似于救生圈）从而将蛋白质包裹在外膜受损区。SlyB 的这种特性加固了外膜较薄弱的部分，并且可以防止重要蛋白质的过度流失，保证了细菌的整体健康和存活。如果没有 SlyB，外膜就会被刺破，细胞就会因裂解而死亡。
图2. SlyB纳米盘形成的示意图（从左至右）。当外膜（OM）受到环境攻击时，会生成大量的SlyB，在β-桶状蛋白（OMP）周围形成纳米盘，从而保护OMP。
为了进一步研究SlyB保护细胞膜的机理，科研人员将纯化后的SlyB寡聚体蛋白以及SlyB寡聚体+BamA蛋白复合物进行冷冻制样，并使用CryoARM冷冻电镜进行数据采集。在经过二维分类和三维分类之后，发现SlyB寡聚体蛋白可以形成10聚体到13聚体。其中占比最高的为11聚体，分辨率可以达到3.8 Å。除了SlyB寡聚体的密度信息以外（图3b），我们也可以清晰地观察到脂多糖（LPS）、磷脂（PL）、lipid anchor等密度信息。而在形成SlyB寡聚体+BamA蛋白复合物时，SlyB寡聚体中占比最高的两类为13聚体和14聚体，其中SlyB 13聚体+bamA蛋白复合物的分辨率可以达到3.9 Å。通过冷冻电镜获取的高清结构信息，科研人员进一步对SlyB进行分子建模（图3a和图3d），从而可以更有效地研究SlyB和外膜的作用机理。
图3. (a) SlyB单体分子模型，(b) SlyB 11聚体密度图，(c) SlyB单体密度图，(d) SlyB 11聚体分子模型图。SlyB 13聚体+bamA蛋白复合物密度图的侧视图(e) 和顶视图(f)
这项研究不仅从根本上揭示了一种可以形成纳米盘的蛋白新家族，更提供了对抗细菌的新工具。VIB-VUB Center for Structural Biology的相关研究人员已经在已经在下一步工作中取得重要进展:将带有细菌膜蛋白的纳米盘经过纯化后，可以用作疫苗接种载体，以刺激免疫系统，使其更好地识别细菌入侵的威胁。这一发现还为研发新药提供了新的思路，通过阻止革兰氏阴性细菌形成纳米盘，可以让它们无法抵御药物的攻击。
安装在VIB-VUB的 CryoARM300外观
