编者按：
十年前，有学者发现了一种由脂质组成的细菌导管，其不仅能毗连分歧种类的细菌，甚至可以毗连细菌和哺乳动物细胞，并且有研究提出该导管许可氨基酸和毒素等物质的转移。但也有人提出这些导管可能是报酬污染。那么这种导管真实存在吗？
今天，我们配合存眷细菌纳米管。但愿本文可以或许为诸位读者带来一些开导和帮忙。
① 全新特征：细菌纳米管
2011 年，微生物界领会到了细菌的一个全新特征：纳米管（Nanotubes）。不久后科学家们还发现，细菌间的这些膜状中空管状布局，许可氨基酸和毒素等物质的转移。
这些管状布局与科学家们之前见过的都分歧，这些纳米管是由脂质而非卵白质构成的。它们比菌毛更稠浊，经常可以或许联络分歧物种的微生物，甚至能将细菌与哺乳动物细胞相连。细菌纳米管看起来似乎是微生物学中持久被轻忽的特征。
捷克科学院的研究生 Ji?í Pospí?il 对这些新兴的细菌布局很是沉迷，是以在他攻读 RNA 聚合酶偏向的博士两年之后，也就是 2016 年，起头研究纳米管。但当起头复制一些初次将纳米管可视化的研究时，他很快就碰鼻了。
尽管进行了一系列分歧的尝试，但他仍然无法再现之前的研究成果。固然他偶然会发现细胞之间形当作的纳米管，但这种环境发生的很少，并且往往只发生在特定前提下。这让 Pospí?il 对于纳米管在微生物界的遍及性和主要性发生了思疑。
不外 Pospí?il 没想过要抛却，是以他与斯洛伐克科学院的 Imrich Barák 进行了合作。Barák 可以利用更为复杂的当作像手艺，Pospí?il 说，他但愿能借此不雅察到这种怪异的布局。
操纵载玻片和盖玻片，Pospí?il 和 Barák 配合制备了用于显微镜不雅察的枯草芽孢杆菌。有一天，他们看到载玻片上的细胞在移动。为了固定这些细胞，Barák 说，“我们就决议将盖玻片标的目的下压”。当他们这样做时，他们看到纳米管几乎从每个细胞中迸发出来。更细心的不雅察之后，Pospí?il 和 Barák 发现细胞正在衰亡。
这一不雅察成果颁发于 2020 年十月，与所有先前颁发的针对纳米管的文献截然相反，因为此前的文献认为，这种布局是活的健康细胞之间的导管。
Barák 说，若是纳米管确实是凋亡细胞的特征，那么“这一布局是转运对于微生物发展和存活所需物质的焦点”这一假设就不太可能是真的，“我们意识到，这可能意味着存在着具有分歧功能的纳米管。”
② 什么是细菌纳米管？
与良多科学前进一样，细菌纳米管也是偶尔间被发现的。2008 年，以色列耶路撒冷希伯来大学的微生物学家 Sigal Ben-Yehuda 和她的研究生那时正在研究枯草芽孢杆菌的孢子形当作。
他们此中一个尝试包罗了两种枯草芽孢杆菌的夹杂物，此中一种表达绿色荧光卵白（GFP），另一种不表达，在该尝试中，两种微生物被置于统一情况一路发展。经由过程光学显微镜不雅察，他们发现一些原本不表达绿色荧光卵白的细胞也有微弱的荧光，并且这些细胞与表达绿色荧光卵白的细胞离得很近。
先前在巴斯德研究院工作的研究人员Bubey说：“我认为，这里发生了一些不为人知的物质互换。”
为了弄清晰发生了什么，Ben-Yehuda 和 Dubey 进行了一系列尝试。他们操纵另一些荧光小分子（如钙黄绿素）进行了尝试，发现这些小分子同样会在细胞间“跳跃”，质粒、RNA 这样的基因组材料也同样如斯。
细菌可以经由过程不依靠于接触的系统（如简单扩散和囊泡），或是依靠于接触的系统（如接合菌毛和排泄系统），进行物质互换。可是科学家们不雅察到，即即是在那些没有已知转运机制的枯草芽孢杆菌中也存在物质互换。Ben-Yehuda 说：“这让我们想到，可能存在一些我们以前不知道的互换。”
当她和 Dubey 操纵高分辩率电子显微镜不雅察枯草芽孢杆菌时，他们看到了细菌延长到相邻细胞的管状布局。Ben-Yehuda 说：“我们可以频频多次地不雅察到它们。”
令人诧异地是，这一布局从未被报道过。他们翻阅了曩昔那些论文中细菌的电子显微镜图像，令他们欢快的是，他们可以在各类环境下看到这些细菌纳米管。Ben-Yehuda 认为这些细菌纳米管之所以一向被忽略，是因为没有人真正意识到它们是什么。2011 年，该团队颁发了论文，初次报道了用于联络细菌细胞的细菌纳米管的存在。
在细菌纳米管被发现之前，人们所知道的独一能在细菌细胞间转运物质的接触性系统是由卵白质构成的，并且研究人员也发现，这些管道所毗连的细胞有着必然的限制，好比接合菌毛仅会在携带特定质粒的细菌与携带特定受体的细菌之间形当作。
Ben-Yahuda 的团队发现，不像那些以卵白质为根本的系统，纳米管几乎都是由脂肪构成的，并且看起来对于它们联络的细胞也并不抉剔。纳米管经常看起来像一系列连在一路的囊泡，它们的长度各别，并且会促进细胞之间的细胞质毗连。这种细胞质间的毗连恰好将纳米管与革兰氏阴性菌的膜外囊泡区分隔来，后者是用于包裹和排泄物质的布局。
Ben Yehuda 的团队想领会细菌纳米管的分布到底有多普遍，他们测试了良多种其他的细菌。他们的隔邻是由 Ilan Rosenshine 带领的尝试室，本家儿要研究致病性大肠杆菌（EPEC），这种细菌会凭借于宿本家儿细胞上，经由过程一些不为人知的分子机制来罗致营养。Ben-Yehuda 认为，这种机制可能是纳米管。
她与 Rosenshine 联系，请他分享一些 EPEC 样本给她。2019 年，他们配合颁发了两篇论文，此中一篇报道了 EPEC 在凭借到宿本家儿细胞时会发生纳米管。另一篇则表白，纳米管可以或许毗连革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌，并且实现这种毗连，细菌需要一组被称之为 CORE 复合体的卵白（共 5 种）。贫乏这组卵白的 EPEC 和枯草芽孢杆菌都无法发生纳米管。
Ben-Yahuda 说：“我们无法想象，这些分歧的系统，从 EPEC 到芽孢杆菌都是一样的。”
同时，其他尝试室也在他们本身的细菌系统中记实了纳米管的存在。2015 年，德国奥斯纳布吕克大学的 Christian Kost 和她的同事们对两种细菌（大肠杆菌和贝氏不动杆菌）进行了基因革新，使它们别离贫乏一种氨基酸，是以它们只有在配合发展并存在物质互换的环境下才能存活。
研究人员操纵荧光标记物标识表记标帜氨基酸，并利用显微镜进行不雅察，成果发现，两种细胞之间的氨基酸在互换。他们追踪了这些荧光标识表记标帜物随时候的活动环境，发现这种互换是经由过程这种由脂肪构成的管状布局发生的。操纵电子显微镜，科学家们随后确认了这种布局为细菌纳米管。
统一年，法国国度科学院和艾克斯-马赛大学的 Marie-Thérèse Giudici-Orticoni 团队颁发了一篇论文，报道说在丙酮丁醇梭菌（革兰氏阳性菌）和脱硫弧菌（革兰氏阴性菌）之间发现了近似纳米管的毗连。在操纵扫描电镜和其他手艺不雅察时，他们发现这种细胞间的毗连可以让细胞在严苛的发展前提下（如营养缺乏时）进行物质互换并得以存活。
在 2020 年，纽卡斯尔大学的 Jinju Chen 团队记实了铜绿假单胞菌中存在纳米管，这是一种常见于病院并能形当作生物膜的病原体。
纳米柱是一种常用于医疗设备概况，以阻止有害生物膜形当作的细小尖刺。面临纳米柱时，这种细菌可以或许将本身摆列在纳米柱之间，并操纵纳米管与其他细胞毗连。因为该细菌无法发生其他如菌毛等毗连性的布局，是以该团队确定，他们所看到的这种保持性布局确实是纳米管。他们总结说，纳米管可能便当了细菌之间的交流，从而促进细胞在适宜的情况中发生生物膜的能力。
考虑到有如斯多的尝试室在分歧前提下的活跃发展的细胞中，都不雅察到了细菌的纳米管，是以，Pospí?il 没想到他做同样的工作会碰到坚苦。
③ 难以捉摸的布局
当 Pospí?il 刚起头不雅察细菌纳米管时，他很快就注重到，这种布局被不雅察到的频率远比 Ben-yehuda 尝试室所报道的要低得多。Pospí?il 的导师 Libor Krásn? 说：“研究纳米管最大的挑战在于，切实地检测到纳米管。”事实上，每扫描 500 多个细胞，他们才能发现一个纳米管。
捷克科学院微生物研究所电子显微镜团队的带领 Old?ich Benada 说：“我们‘看到’了像纳米管一样的工具，可是频次很是很是低。并且我们必需要扫描良多画面才能发现一些这种布局。”他说，他对于纳米管到底是否存在抱有思疑。
在他们摸索纳米管良多年之后，Krásn? 在一次会议中碰到了 Ben-Yehuda，会商了他的团队在不雅察这一布局时所碰到的坚苦，之后 Ben-Yehuda 给他们供给了一些本身尝试室之前在用的细菌菌株和相关记实，可是捷克的团队仍然无法看到纳米管。研究人员也进行了测验考试，但并不克不及够重现 Ben-Yehuda 的尝试室先前所进行的一些物质互换尝试。
当 Pospí?il 与他斯洛伐克科学院的同事 Barák 无意中压到载玻片，他们才发现，这会让细菌发生良多纳米管。他们当即起头测试多种压力值，以探寻哪一种最可能让细胞发生纳米管。他们发现，施加约 80 千帕压力时，即在盖玻片上放置一个 2.5 公斤的重物 10 秒，几乎每个细胞都当即发生很多延长出去的纳米管。
当 Pospí?il 操纵一种名为 SYTOX Green 的标记物（仅会使衰亡中或已灭亡的细胞着色）时发现，纳米管仅由那些被染绿的细胞发生。这也让他大白，这种压力会杀死细胞，最终造当作纳米管的发生。
考虑到压到盖玻片只是一个常规操作，是以，Barák 说，他认为之所以压力诱导的纳米管先前并未被报道，是因为人们们老是习惯忽略已经灭亡的细胞。他弥补说，在曩昔几十年间，给细胞膜染色、压盖玻片这种操作中，“我甚至都从未不雅察到纳米管，因为我们底子不会专注于它们。”此刻，他大白了，若是他小心地固定好这些细胞并利用一台杰出的显微镜，他将很有可能看到纳米管。
Barák 说，当该团队于 2020 年 12 月颁发其研究当作果后，来自科学界的反应大多是积极的。该论文在推特被普遍转发，并收到了一些思疑纳米管是否切实存在的科学家们的评论。
Alex Merz 是华盛顿大学的生物化学家，他曾公开批判了 Ben-Yehuda 尝试室的一些论文，出格是近期的一篇文章。
该文章胪陈了 CORE 复合体的感化并表白纳米管可以毗连革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌。这两类细菌有着判然不同的细胞被膜，当纳米管从革兰氏阳性菌延长到革兰氏阴性菌时，它是只会与革兰氏阴性细菌的外膜彼此感化，仍是会与细胞的内层膜彼此感化？
Merz 说，他认为要弄清细菌纳米管是真实存在的功能性布局，仍是报酬现象，领会这些问题的谜底至关主要。他呼吁利用更高分辩率的显微镜手艺，这可以使得人们更细心地不雅察到纳米管是如何与两种类型的细菌的被膜相连的，而这些手艺并未被用于近期的这些论文中。他说：“我需要看到更多实证才能被说服。”
约翰霍普金斯医学院的生物化学家 Erin Goley 与 Merz 怀有同样的担忧。她说：“对于它们是否是真实具有功能的布局，我很思疑。”除了纳米管的组织体例外，她还对纳米管看似多面手的特征感应猜疑。迄今为止，几乎所有依靠于毗连的系统都有着本身严酷的调控机制，而令 Goley 感应奇异的是，纳米管似乎贫乏这种调控。
与 Merz 不异，她也但愿可以或许看到纳米管更高质量、跨区域的图像，出格是在它们与细菌细胞的毗连之处。Goley 和 Merz 都保举的这种手艺可以帮忙科学家们削减在传统制样过程中发生的报酬污染，并使得细胞维持其原本的状况，这有利于“揭示出这些薄膜上现实发生的现象——是什么毗连了什么，哪些膜与哪些物质所毗连。”Goley 说。
Kost 说，他认为，Czech 的团队所看到的压力诱生的纳米管可能表白了脂质从死细胞中爆发出后的自我组织（self-organization），这与一项曩昔的研究相似。该研究中表白，原初生命体是一种可以或许与四周情况彼此感化的自组织脂质囊泡，在必然前提下可以形当作长的脂质管。
他弥补说：“我认为，在某种环境下细胞简直会呈现这种现象。可是这很显然不克不及解除纳米管可能在活细胞中有必然感化。”
Ben-Yehuda 的团队撑持这一研究，该尝试室的博士后 Amit Baidya 说：“我们并未将细胞置于任何压力之下。”Ben-Yehuda 也指出，他们不雅察到的细菌菌落在发生纳米管后仍然可以或许发展、割裂。
可是，即即是在她的尝试室，研究人员有时辰也需要很尽力地不雅察纳米管。本家儿要的挑战在于贫乏纳米管的标签，这迫使科学家们必需依靠于膜染色并且往往会生当作很多干扰的图像。
Ben-Yehuda 说：“就像是看太阳之后测验考试看一些很是细小的事物。”Baidya 认为，判定纳米管的过程需要细心看待。“制样时，您必需很是很是小心，”他说，“若是您某天不敷专注，或长短常焦急，您都不会看到纳米管。”
④ 为什么难以反复？
关于细菌纳米管的研究在很多方面都存在差别，包罗利用的菌种或菌株、发展前提、检测物质互换的方式以及使得这些布局可视化的显微镜手艺。并且，就像 Pospí?il 的研究所指出的，不是所有的尝试室都能在所有前提下当作功发现纳米管。
哈佛医学院光学显微镜设备本家儿管 Paula Montero Llopis 说，已知温度、酸度和空气等发展前提，城市影响细胞心理学和外不雅的身分。好比说，枯草芽孢杆菌会以两种形式呈现：可以或许自由移动的游动孢子，以及由与其他细胞毗连的无法移到的细胞链。
Montero Llopis 的工作已经表白，在低温的含有酪卵白水解物（氨基酸来历）的培育基中，细胞更轻易形当作后一种形式。她暗示：“我发现游动孢子与链状布局的数目分布很大水平上由培育细胞的体例所决议。”
在研究纳米管时，Pospí?il 和 Kost 都利用了液体培育基，而 Ben-Yehuda 的尝试室则利用固体琼脂培育皿来培育细菌。Pospí?il 和 Kost 都未能不雅察到固体培育基中细菌的纳米管，而 Ben-Yehuda 也没不雅察到液体培育基中的细菌纳米管。
Kost 将分歧的尝试成果归因于每个尝试室所研究的细菌种类分歧：Ben-Yehuda 的尝试室研究的枯草芽孢杆菌是一种泥土细菌，倾标的目的于在固体概况当作长，而 Kost 尝试室研究的大肠杆菌则更“喜好”液体培育基。
Kost 指出，即即是测验考试复制另一些尝试室的研究，最终的比力成果也会很诡异。并且，当他的尝试室从一所大学搬到另一所大学后也面对着同样的问题，“我们测验考试尽可能地复制我们用过的所有材料，可是谁知道是否真的很好地复制了呢？”Kost 诠释说，不只是分歧供给商供给的产物有所差别，即使是利用不异供给商的材料来培育细菌或者进行细菌当作像，分歧批次的化学试剂也会对尝试的反复性造当作阻碍。
这些差别同样存在于科学家们在进行细菌当作像前的筹办工作以及所利用的当作像手艺中。
当制备用于电子显微镜不雅察的细菌样品时，最常见的两个步调就是晾干细胞并喷金。Merz 说：“这些手艺……可能长短常粗犷的，它们确实会带来很大的报酬污染的风险。”
他也提醒道，该当避免利用化学方式固定，这种手艺操纵多聚甲醛等化学物质在必然时候内“冷冻细胞”，是以更有可能呈现报酬污染。同样是操纵电子显微镜不雅察纳米管，分歧的尝试室所利用的当作像手艺和制样手艺也可能差别很大。
对于思疑纳米管是否真实存在的人来说，不雅察纳米管时所需的分歧的（甚至有时辰相反的）前提是不容忽略的。Ariane Briegel 是莱顿大学超微布局生物学传授，她认为这些在电子显微镜中不雅察到的布局事实上很可能是干燥过程中的报酬污染，这也是为什么它们不克不及持续被不雅察到。
她暗示：“我确实相信，在细胞之间存在物质互换，可是对于纳米管是否真实存在，我并不确信。”她弥补说，缺乏可反复性只会更增添她的思疑。
可是对于 Kost 来说，良多前提下城市发生纳米管，这即是证实它们真实存在的证据。“我发现，令我们备受鼓舞的是，有良多尝试室都报道了很是很是相似的现象。”
事实上，纳米管这种显而易见的存在促使他继续标的目的前。2019 年，她的团队发现，经由过程纳米管进行的氨基酸运输是单标的目的的——细菌 A 发生的纳米管可以将物质从细菌 A 转移到细菌 B，但反过来则不可。这表白，纳米管具有节制感化，而不仅仅是毗连两个细胞的细胞质的管道。
Kost 说，他的尝试室正在进行的研究表白，纳米管可能不只是传递者，并且也是细菌协同感化的关头促进者。他说，在未颁发的文献中，该尝试室发现，纳米管的存在会让细胞选择彼此协同而非竞争。“这完全改变了我对待生态学彼此感化的体例。这一切看起来似乎在暗示，这些纳米管是协同进化的关头。”
同时，Ben-Yehuda 的团队也在继续揭露纳米管形当作的细节。比来，研究人员发现，发生纳米管的细菌首先会标的目的受体细胞发送水解酶的激活剂，这种激活剂可以诱使细胞壁重塑让纳米管洞穿，并经由过程其传送物质。
Ben-Yehuda 说，同时，细胞看起来也在以某种体例来为纳米管的排布供给导标的目的。“它们可以在空间内的任何处所发展，可是它们老是直接朝着对方发展。这让我认为并非偶尔。”
Pospí?il 在濒亡细胞生出的纳米管中并未不雅察到这种导标的目的型，可是他不雅察到，纳米管在区域内的发生有着必然的倾标的目的。在垂直伸长的枯草芽孢杆菌细胞中，Pospí?il 不雅察到，纳米管本家儿要从细胞的两头（顶部和底部）发生，而不是从细胞的两侧发生。
开放科学中间的研究本家儿管 Tim Errington 指出，呈现相反的成果并不老是欠好的。“在科学范畴，存在分歧的不雅点恰是您想要的，因为您并非只需接管您所说的那些工作……您必需要不断地回首它们。”
Ben-Yehuda 并未对 Pospí?il 的发现感应不安，而且对摸索关于细菌纳米管的无数未解问题感应兴奋。“多年来，我们确信它们是真实存在的，尽管有些人认为它们并非如斯。科学是一场马拉松，我们的研究就是跑一场马拉松，而非短跑。”
原文链接：
https://www.the-scientist.com/features/what-s-the-deal-with-bacterial-nanotubes-68780
作者｜Sruthi S. Balakrishnan
编译｜C。
