《Microbial Ecology》：Ultrastructure Analysis by Cryo-Electron Tomography Revealed Mesosomes in the Gram-negative Delftia Acidovorans
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本研究针对广泛存在于环境并可感染免疫缺陷人群的革兰氏阴性菌Delftia acidovorans，因其超微结构研究匮乏，采用冷冻电子断层扫描技术开展细胞结构解析。研究发现其鞭毛 filaments 存在超螺旋结构，并首次在革兰氏阴性菌中观察到类似革兰氏阳性菌间体的细胞质膜内陷，为理解细菌环境适应性与致病性提供了新视角。
在微生物学的广阔世界里，细菌以其微小的身躯和强大的适应能力，在自然环境和宿主体内扮演着至关重要的角色。其中，Delftia acidovorans（食酸代尔夫特菌）是一种分布极为广泛的革兰氏阴性菌（Gram-negative bacterium），从土壤、水体到医院环境，几乎无处不在。虽然它通常被视为环境中的“良民”，但在特定情况下，例如面对免疫力低下的人群时，它也能“摇身一变”成为机会性病原体，引发感染。尽管这种细菌在生态学和临床医学上都显示出不容忽视的重要性，但科学界对其细胞内部的精细结构——即超微结构（ultrastructure）——的了解却相当有限。这种认知上的空白，直接限制了我们深入理解其诸多关键生物学行为，例如，细菌是如何聚集在一起形成生物膜（biofilm）的？这种聚集行为如何帮助它们抵抗环境压力，乃至增强其在临床上的潜在致病性（pathogenicity）？要回答这些问题，精确描绘其细胞的结构蓝图是必不可少的第一步。
传统的电子显微镜技术虽然功不可没，但往往需要对样本进行脱水、染色、固定等处理，这些过程可能会引入人为假象，扭曲细胞的真实形态。为了克服这一瓶颈，一项名为冷冻电子断层扫描（cryo-electron tomography, Cryo-ET）的尖端技术应运而生。这项技术能够将细菌在接近生理状态的冷冻含水环境下直接进行三维成像，从而以极高的分辨率呈现细胞内部的原生结构，被誉为“窥探细胞内部的分子显微镜”。正是基于这一背景，发表在《Microbial Ecology》上的这项研究，旨在利用Cryo-ET这把“利器”，首次对Delftia acidovorans的细胞超微结构进行高精度、三维立体的全面解析，以期填补知识空白，并探寻其结构特征与功能之间的内在联系。
研究人员为开展此项研究，主要依赖于冷冻电子断层扫描（Cryo-ET）这一关键技术对Delftia acidovorans细胞进行三维超微结构成像。研究样本为Delftia acidovorans标准菌株。具体流程包括：细菌培养、样品制备（通过 plunge freezing 方法将细菌瞬间冷冻在玻璃态冰中以保持其天然状态）、然后在透射电子显微镜下采集不同角度的系列二维图像，最后通过计算机三维重构算法获得细胞内部结构的高分辨率断层扫描图像，并据此进行结构分析和表征。
研究结果揭示了Delftia acidovorans细胞中多个此前未被详细描述的超微结构特征。
超微结构观察
通过对冷冻样品的断层扫描三维重构，研究人员获得了Delftia acidovorans细胞整体及其局部结构的精细图像。研究首先确认了革兰氏阴性菌典型的细胞膜系统，包括外膜（outer membrane）、周质空间（periplasmic space）和细胞质膜（cytoplasmic membrane）。在此基础上，研究观察到了两种特别值得关注的结构。
鞭毛丝的超螺旋模式
研究在具有鞭毛的细胞中观察到，其鞭毛丝（flagellar filaments）呈现出一种独特的超螺旋（supercoiling）图案。鞭毛是细菌的运动器官，其丝状结构的组装模式和形态直接影响细菌的运动能力。这一发现提示，Delftia acidovorans的鞭毛可能具有特殊的力学性质或运动策略，以适应其在复杂环境中的游动需求。
多样的外膜投射
研究还发现细胞外膜上存在多种形态的凸起或投射物（outer membrane projections）。这些结构的形态和分布具有多样性，其功能可能涉及物质运输、细胞间相互作用或对环境信号的感知，反映了该菌种表面结构的复杂性。
类间体结构的发现
本研究最引人注目的发现是在Delftia acidovorans的细胞质中观察到了由细胞质膜内陷（cytoplasmic membrane invaginations）形成的结构。这些内陷结构在形态上非常类似于过去主要在革兰氏阳性菌（Gram-positive bacteria）中报道的间体（mesosomes）。间体曾是细菌细胞生物学中的一个历史概念，最初在革兰氏阳性菌中通过化学固定和常规电子显微镜技术观察到，但后来部分被认为是制样过程中产生的人工假象。然而，本研究通过在无化学固定、接近生理状态的冷冻条件下进行成像，清晰地揭示了这些膜内陷结构的存在，强有力地支持了它们在革兰氏阴性菌Delftia acidovorans中是一种真实的细胞结构。这一发现挑战了关于间体仅存在于或主要是革兰氏阳性菌特征的传统观点，将这类结构的讨论扩展到了革兰氏阴性菌领域。
结论与讨论
综上所述，本研究通过应用冷冻电子断层扫描技术，成功绘制了革兰氏阴性菌Delftia acidovorans的高分辨率三维超微结构图谱。研究不仅揭示了其鞭毛丝的超螺旋模式和多样的外膜投射等结构特征，更重要的是，首次在接近天然状态下于革兰氏阴性菌中观察到了类间体状的细胞质膜内陷结构。这一核心发现具有多重重要意义：首先，它证实了在革兰氏阴性菌中也可能存在真实的、非人工假象的膜内陷系统，为重新审视和探讨间体在不同细菌类群中的普遍性、结构和功能提供了新的、可靠的形态学证据。其次，这些超微结构特征很可能与Delftia acidovorans的环境适应性密切相关。例如，复杂的膜系统可能增加了膜面积，有利于能量代谢或物质交换；特殊的鞭毛结构可能优化了其运动能力；而观察到的表面结构可能介导了细菌间的识别与聚集，从而促进生物膜的形成。生物膜的形成是细菌在不利环境中存活和持续存在的关键策略，也与临床感染的顽固性密切相关。因此，对这些超微结构基础的深入理解，为了解Delftia acidovorans（乃至其他细菌）的环境持久性（environmental persistence）和种间聚集（interspecies aggregation）能力背后的结构机制开辟了新的视角。这项研究不仅增进了我们对一种重要环境兼机会致病菌的基础生物学认识，也展示了冷冻电子断层扫描技术在微生物超微结构研究中的强大能力，为未来探索其他微生物的微观世界树立了范例。
