学生接力主导：揭示地杆菌产生的“海绵”是如何吸收铀的机理

诸平

据美国密歇根州立大学（Michigan State University简称MSU）2021年8月4日提供的消息，该校的研究人员研究表明地杆菌（Geobacter sulfurreducens）产生的“海绵（sponge）”可以吸收铀（How the 'sponge' made by the bacteria Geobacter soaks up uranium），解释了几十年来，科学家们一直怀疑一种名为地杆菌（Geobacter）的细菌能够清理放射性铀废料，但并不清楚这种微生物是如何做到的。相关研究结果于2021年8月4日已经在《应用于环境微生物学》（Applied and Environmental Microbiology）杂志网站发表——Morgen M. Clark, Michael D. Paxhia, Jenna M. Young, Michael P. Manzella, Gemma Reguera. Adaptive synthesis of a rough lipopolysaccharide in Geobacter sulfurreducens for metal reduction and detoxification. Applied and Environmental Microbiology, 04 August 2021. DOI: https://doi.org/10.1128/AEM.00964-21 

下面是通讯作者、密歇根州立大学杰玛·雷格拉( Gemma Reguera)教授的照片。

密歇根州立大学微生物学家杰玛·雷格拉( Gemma Reguera)教授的研究团队，在10年前就对地杆菌可以清理放射性铀废物这个谜团解开了75%，她承认：“20年来，这些菌类它们如何做到这一点的生物学机制一直难以捉摸。”但是，现在斯巴达微生物学（Spartan microbiologist）杰玛·雷格拉( Gemma Reguera)领导的团队使该谜团的其余部分终于完全破解了。

杰玛·雷格拉在2011年发现的是，在它们细胞的一侧，地杆菌制造了蛋白质细丝，就像小电线一样，可以真正地破坏铀。这要做两件事：一方面，震动会触发化学反应，为细菌提供能量；另一方面，这种化学物质以矿物形式捕获铀，防止放射性物质在环境中扩散。

 但这些蛋白质线仅占地球杆菌正在清理的铀的75%左右。MSU 理学院（College of Natural Science）微生物学和分子遗传学（microbiology and molecular genetics ）教授杰玛·雷格拉说：“我们一直都知道我们对其了解不够全面，我们不知道的是细胞表面究竟发生了什么，特别是在没有电线固定铀的细胞一侧。”

 现在，杰玛·雷格拉的团队有了答案。称为脂多糖的分子覆盖细胞表面并像海绵一样吸收铀。这一发现于8月4日在线发表在《应用与环境微生物学》（Applied and Environmental Microbiology）杂志上，它不仅可以创造新的方法来修复危险的污染，还可以从电子废物中回收和回收越来越稀有的金属。杰玛·雷格拉说，下一步是调查是否可以鼓励地杆菌及其海绵从废物流中提取其他有毒金属。

斯巴达研究人员透露，地杆菌细菌——这张显微镜图像中的棒状形状——将铀包装成囊泡，这些囊泡被视为点缀在图像上的光斑。详见来自摩根·克拉克(Morgen Clark)的照片。

杰玛·雷格拉说：“我们可以问问我们是否可以制作一个选择性去除金属的系统。”其工作方式有点像发酵罐（fermenter），在此微型酵母细胞呼吸产生酒精，只有在这里，地杆菌细菌（Geobacter bacteria）的呼吸作用才能使用蛋白质纳米线和新发现的分子海绵（molecular sponges）来捕获有毒和重要的金属。 

当地杆菌吸收铀时，它们也开始将其包装成囊泡（vesicles），这些囊泡是涂有脂多糖（lipopolysaccharides）的气泡状球体。细菌细胞释放囊泡并补充它们的脂多糖涂层以吸收更多的铀。

杰玛·雷格拉说：“这是一种重塑细胞表面并确保最大程度保护的机制。细胞在正常生长条件下会产生一些囊泡，但会增加产量以清除被困的铀，我们现在正在研究如何扩大囊泡生产。我们基本上可以为这些囊泡建造一个工厂，将金属从水中提取出来。”

对于杰玛·雷格拉来说，这一发现是如何做出的，与发现本身一样令人兴奋。她的团队在2011 年的蛋白质线发现在项目资金即将结束时发表。对地杆菌吸收的另外25%的铀的情况进行新的调查需要时间。欲了解有关杰玛·雷格拉教授早期地杆菌研究的更多信息，也可以浏览MSU官网在2012年录制的视频。

幸运的是，杰玛·雷格拉团队中有一名本科生研究者Michael Paxhia，他在理学院的支持和教授助学金的支持下继续该项目。还有两名研究生Michael Manzella和Jenna Young对这个问题也非常感兴趣，他们在各自的项目中指导Michael Paxhia开展工作。

在没有来自主要机构的正式资助的情况下，三人组确定了负责制造地杆菌特殊脂多糖的基因。此外，如果这些基因不能正常工作，就会让铀进入细胞，杀死细菌。 

这些实验室成员早已经毕业，他们现在在不同单位工作：Michael Paxhia是英国的博士后研究员，Michael Manzella是印第安纳大学布卢明顿分校（Indiana University-Bloomington）的生物学讲师，Jenna Young是科罗拉多州弗雷泽河谷蒸馏厂（Fraser Valley Distilling in Colorado）的联合创始人和首席科学家。

 但他们的工作为目前的博士生摩根·克拉克（Morgen Clark）奠定了基础。摩根·克拉克的研究现在得到了美国国家科学基金会的支持，完成了这个谜题，表明地杆菌用脂多糖海绵吸收了铀并将其包装成囊泡。

 杰玛·雷格拉说：“这是一个由技艺精湛、积极进取的学生主导的故事。我无法告诉你我有多自豪。”上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

The ability of some metal-reducing bacteria to produce a rough (no O-antigen) lipopolysaccharide (LPS) could facilitate surface interactions with minerals and metal reduction. Consistent with this, the laboratory model metal reducer Geobacter sulfurreducens PCA produced two rough LPS isoforms (with or without a terminal methyl-quinovosamine sugar) when growing with the soluble electron acceptor, fumarate, but only expressed the shorter and more hydrophilic variant when reducing iron oxides. We reconstructed from genomic data conserved pathways for the synthesis of the rough LPS and generated heptosyltransferase mutants with partial (ΔrfaQ) and complete (ΔrfaC) truncations in the core oligosaccharide. The stepwise removal of the LPS core sugars reduced the hydrophilicity of the cell and increased outer membrane vesiculation. These changes in outer membrane charge and remodeling did not substantially impact planktonic growth but disrupted the developmental stages and structure of electroactive biofilms. Furthermore, the mutants assembled conductive pili for the extracellular mineralization of the toxic uranyl cation, yet were unable to prevent the permeation and mineralization of the radionuclide in the cell envelope. Hence, not only does the rough LPS promote cell-cell and cell-mineral interactions critical to biofilm formation and metal respiration, but it also functions as a permeability barrier to toxic metal cations. In doing so, the rough LPS maximizes the extracellular reduction of soluble and insoluble metals and preserves cell envelope functions critical to the environmental survival of Geobacter bacteria in metal rich environments and their performance in bioremediation and bioenergy applications.