学习院大学（校长：井上利一）、理学院物理系、西坂孝之教授、研究生木下义明（现为德国弗莱堡大学特聘海外研究员）、国立先进产业技术研究所（会长：中钵良二）（以下简称“AIST”）、生物过程研究部【研究部主任：田村智博】环境生物功能开发研究组我们与首席研究员 Yoshitomo Kikuchi 合作，在害虫臭虫的共生细菌中发现了一种全新的鞭毛运动，其中鞭毛纤维包裹着细菌体并游泳。表现出这种独特鞭毛运动的细菌没有被捕获在玻璃表面上，这表明这种运动在基材表面上是有效的。这一结果首次阐明了细菌与臭虫共生时所使用的特征性游泳运动，并有望通过抑制共生的建立来开发控制害虫的新方法。
该研究结果发表于2017年12月21日（日本时间下午6:00），自然出版集团出版的微生物生态学领域的期刊该ISME 期刊
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| 左：传统的鞭毛运动 右：这次观察到的第三种鞭毛运动 |
许多游泳细菌都有一种称为“鞭毛”的运动装置，它是 20 多种蛋白质的组合。细菌可以通过鞭毛纤维的旋转获得推进力，在水中自由游动。鞭毛运动对于细菌迁移以寻找更好的环境至关重要，已知有两种运动模式：（i）大肠杆菌等毛周细菌表现出的翻滚运动，以及（ii）弧菌等海洋细菌中观察到的向前向后运动（见右图）。这些鞭毛运动不仅被细菌用来在水中移动，而且被病原菌用来到达人体的内脏，被广泛称为毒力因子。
细菌鞭毛运动与致病性密切相关，但已知它在共生系统中某些动物与细菌之间建立共生方面发挥着重要作用。例如，无法自行发光的耳乌贼将发光细菌Alivibrio融入其体内，使其能够与来自月球和其他光源的光融为一体，防止外界敌人的捕食，但发光细菌的运动性对于建立这种共生关系至关重要。此外，已知作为农作物害虫的臭虫通过将一种名为伯克霍尔德氏菌的细菌摄入体内而获得对杀虫剂的抗性，并且该细菌的鞭毛运动在建立这种共生关系中发挥着重要作用。
椿象的胃肠道和共生器官之间存在一个非常薄的、充满多糖粘膜的狭窄部分。首席研究员 Kikuchi 的研究小组此前报道，只有能运动的伯克霍尔德氏菌菌株能够通过该缢缩处，而非能运动的突变菌株则无法通过该缢缩部。有趣的是，还发现非共生细菌（例如大肠杆菌）无法穿过狭窄，也无法到达共生器官，即使它们具有运动能力。类似的收缩也存在于蚯蚓乌贼中，并且已知只有活动的发光细菌才能选择性地通过它。然而，“为什么只有共生细菌才能突破狭窄？”这个问题仍然未知。我们的研究小组从以下假设开始我们的研究：“共生细菌伯克霍尔德氏菌可能具有独特的运动机制来穿过狭窄。”
鞭毛纤维成像
为了证明这一假设，需要直接捕捉伯克霍尔德氏菌的鞭毛运动。然而，鞭毛纤维仅约20纳米（2毫米的1/100,000）细，只能通过电子显微镜观察（右图：上）。为了应对这一挑战，我们的研究小组发现，通过用荧光染料处理细胞体，可以在荧光显微镜下观察鞭毛纤维（右图：底部）。此外，通过使用据说是世界上最灵敏的EMCCD相机，可以以每秒400张图像的速度对鞭毛纤维的运动进行成像。这一观察结果表明，伯克霍尔德氏菌通过以每秒 150 转的速度旋转鞭毛纤维，可以以每秒 25 微米的速度（大约是其体长的 10 倍的距离）游泳。
第三鞭毛运动的发现
在一般液体培养基中，伯克霍尔德氏菌仅表现出大肠杆菌和其他细菌表现出的已知运动模式。研究小组的 Yoshiaki Kinoshita 使用甲基纤维素创造了一个模拟狭窄部位的粘稠环境，并进行了类似的观察。虽然在低粘度介质中观察到正常的运动模式，但在这些条件下，我们能够经常观察到鞭毛纤维在包裹细胞体时游动（右图）。这种鞭毛包裹运动不适用于任何已知的鞭毛运动，并且可以被认为是鞭毛运动的第三种形式。伯克霍尔德杆菌利用这种运动模式像钻头一样穿过粘性液体，其运动效率约为正常运动模式的一半。
利用鞭毛进行滑翔运动
为什么伯克霍尔德杆菌尽管效率低下却表现出独特的运动模式？当使用大肠杆菌（一种非共生细菌）进行类似的观察时，我们得到了有趣的结果，随着时间的推移，大肠杆菌与玻璃表面结合并变得不动。另一方面，在伯克霍尔德氏菌中，没有观察到细胞被困在这种玻璃中并变得不动。仔细观察发现，通常在运动过程中捕获的伯克霍尔德杆菌能够将其鞭毛纤维缠绕在自身周围并不受束缚，从而使其能够在玻璃表面自由移动。此外，通过使用可以高分辨率观察玻璃附近区域的全内反射荧光显微镜，发现鞭毛纤维在接触玻璃表面时会进行滑动运动。考虑到玻璃表面是一个不平坦的环境，人们认为包裹在细菌细胞周围的鞭毛纤维紧密贴合这些不平坦的地方并旋转，产生推进力，使它们即使在固体表面上也能有效地移动。换句话说，这第三种运动形式对于有效地移动而不停留在基底表面上是必要的。
鱿鱼上共生细菌鞭毛包裹运动的可视化
鞭毛包裹运动仅在伯克霍尔德杆菌中可见吗？为了回答这个问题，我们使用了Alibibrio，一种耳乌贼的共生细菌。据了解，耳乌贼与椿象一样，具有选择性摄取共生菌的机制，只有能活动的阿里弧菌才能到达共生器官。当使用 Alivibrio 细菌的荧光染色进行类似观察时，发现 Alivibrio 细菌在将鞭毛纤维包裹在细菌体周围的同时也会移动（见右图）。这表明，此次发现的第三种鞭毛运动形式可能是多种共生细菌所共有的。
这项研究表明，鞭毛纤维从正常运动到缠绕运动的转换是通过将鞭毛旋转方向从逆时针旋转到顺时针来实现的。然而，即使在不显示鞭毛包裹的细菌（例如大肠杆菌）中，这种旋转方向的转换也会发生，并且向第三种运动形式的转换不能仅仅通过旋转方向的变化来解释。未来，我们将通过全面分析诱导第三种形式的鞭毛运动所需的蛋白质的结构和基因来探究这个谜团。此外，通过分析宿主体内的鞭毛运动，我们将回答椿象胃肠道中是否发生特定位点游泳模式切换的问题。从这个实验中，我们可以阐明哪种模式，正常模式或鞭毛包裹模式，可以在狭窄内更有效地移动。基于这一结果，我们希望通过在基因水平上彻底阐明共生现象与细菌表现出的各种运动之间的关系，将有助于开发新的害虫防治剂，以防止共生细菌的感染和定植。
出版杂志：ISME 期刊
论文标题：昆虫肠道共生体不可预见的游泳和滑翔模式，伯克霍尔德杆菌spRPE64，鞭毛包裹其细胞体
作者：Yoshiaki Kinosita、Yoshitomo Kikuchi、Nagisa Mikami、Daisuke Nakane、Takayuki Nishizaka
Doi 号码：101038/s41396-017-0010-z
论文网址：https://wwwnaturecom/articles/s41396-017-0010-z