布鲁克文章推荐 第38期
Bruker Journal Club
布鲁克纳米表面仪器部 付坤武 博士
肽聚糖是细菌细胞壁的主要组成成分，它对于细胞活性和关键抗生素的合成都起到重要作用。肽聚糖是一种由糖链组成的单一大分子，由围绕细胞的肽支链交联而成，作为对细胞整体结构及其内部组成的框架。在革兰氏阳性细菌种类中，肽聚糖通常被认为是一种几十纳米厚的均匀结构，能提供机械支撑维持细胞结构。但近期University of Sheffield的Foster教授和Hobbs教授团队有了新的发现。他们利用原子力显微镜(AFM)研究了两种形态不同的革兰氏阳性细菌：金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌。高分辨的AFM图像显示活细胞的成熟外表面具有由无序的肽聚糖凝胶形成孔隙结构。而内表面结构则更密实，且与细菌种类和位置有关。这些结果提供传统的结构生物学方法无法检测的信息，为我们理解细胞包膜分子结构、力学性能及其在细胞内外交换过程中起到的作用提供帮助。相关成果“The architecture of the Gram-positive bacterial cell wall”于2020年4月29号发表在Nature期刊上(https://doi.org/10.1038/s41586-020-2236-6).
利用原子力显微镜，研究人员发现金黄色葡萄球菌活细胞表面结构包括孔隙和环形结构。如图1(a-c)所示，孔隙结构由深度不一、随机排布的孔洞组成(最大深度23nm)，由不同的肽聚糖纤维束相互交联进而形成,更多与成熟细胞壁相关。而图1(d-g)则展示了环形结构区域主要由周向排列的纤维束形成更加密实的结构,纤维束间隔周期约2.7 ± 0.5 nm。这些环形结构被认为主要与新生细胞壁膜有关。图2(a-c)直观展示了一个活细胞表面孔隙结构和环形结构临界处的形貌差异及其截面轮廓图。图2(d-g)是从新生到成熟的不同生长阶段的细胞壁表面的结构变化结果，我们可以清楚地观察到从新生细胞壁表面的环形结构逐渐转变为成熟细胞壁表面的孔隙结构。这也表明细胞壁生长、成熟过程里肽聚糖形成了不同结构。
考虑到活细胞成像只提供细胞表面的信息，研究人员利用Peakforce tapping成像模式，进一步在液下环境中对经提纯处理的肽聚糖小囊样品进行测试。液下测试可以更接近原位条件下对细胞壁样品进行表征，也避免了空气中湿度对表征结果的影响，有利于得到更清晰的细胞壁结构图像，如图3(I)所示。图3(a)中在单个小囊上测量到内、外表面的膜结构。图3(b-d)中同样也观察到与活细胞壁表面相似的孔隙和环形结构区域。图3(e-h) 中在小囊内表面和与细胞质接触面的隔膜片段表面都观察到孔隙结构并无环形结构，这都与细胞壁在成熟阶段更多孔隙结构起作用相对应。通过调节细胞壁在生长过程中肽聚糖合成所需的酶，可以影响最终成熟细胞壁的形态结构。原子力显微镜可以对直观探究细胞壁微观结构的变化过程提供帮助。作者也与冷冻电镜技术的结果(如图4)对比，发现原子力显微镜结果能以更高的对比度来分辨出细胞壁表面的微观结构，直观扫描到表面的孔隙和环形结构，并且无需对样品进行冷冻处理等制备过程。作者更将实验拓展到其他种类细菌，如棒状的枯草芽孢杆菌细胞样品上，也同样观察到分化后的细菌周围表面和其分化定点位置处的细胞膜结构差异。
在这项重要的工作中，作者使用了布鲁克公司的NanoWizard 和Dimension Fastscan Bio系列的生物型原子力显微镜对细菌活细胞和提纯过的小囊样品进行表征。通过在液下环境中对这些样品的细胞壁内、外层表面进行高分辨成像，首次揭示了细菌细胞壁上肽聚糖链形成的无序孔隙结构及其在新生壁层生长过程中的结构演化过程。
全新的NanoWizard® 4 XP BioScience AFM采用探针扫描方式，并配备Peakforce tapping专利技术和友好易用的全新操作界面，实现在液体环境中对生物分子、蛋白和细胞等样品轻松成像。其可配备的高级QI模式，可得到准确可靠的生物力学信息。其采用的NestedScanner技术使最高扫速可达到150 lines/sec。全新的Vortis™ 2控制系统降低了机器噪声，为其带来了卓越的分辨率、稳定性和可靠性表现。同时NanoWizard系列AFM与多种光学显微成像技术具有很好的兼容性，可搭配如STED, STROM, FRET, DIC等设备使用，获得生物样品的多方面信息。另外，Bruker配备的PetriDishHeater™ 可以提供温度、气体氛围与液体环境的控制，可在37 ̊C的培养环境中进行长时间活细胞实验。
本文相关链接：
论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2236-6
NanoWizard® 4 XP BioScience原子力显微镜介绍：
https://china.jpk.com/products/atomic-force-microscopy/nanowizard-4-xp-bioafm
Dimension FastScan Bio原子力显微镜介绍：https://www.bruker.com/products/surface-and-dimensional-analysis/atomic-force-microscopes/dimension-fastscan-bio/overview.html
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