长久以来的谜团有了答案：休眠细菌是如何复活的

惰性的、沉睡的细菌--或称孢子--可以在没有营养物质的情况下存活数年，甚至数百年，抵御热量、紫外线辐射、抗生素和其他苛刻的化学物质。孢子如何恢复生命一直是一个长达一个世纪的谜。新的研究确定了感应蛋白是如何使休眠细菌复活的。这一发现为对抗孢子对抗生素和消毒的抗性开辟了新的途径，还可以为预防感染和食品腐败的新策略提供参考。

炭疽杆菌的三维插图，炭疽杆菌是导致炭疽的孢子形成的细菌。哈佛大学医学院的研究人员发现了一种细胞传感器，它能使细菌孢子感知营养物质并从休眠中苏醒。这一发现可以帮助防止危险的休眠细菌引起爆发。

自从150多年前首次描述细菌孢子--惰性、沉睡的细菌--以来，哈佛大学医学院的研究人员解决了一个困惑生物学家的谜题，他们发现了一种新的细胞传感器，使孢子能够检测到其环境中存在的营养物质并迅速恢复活力。

事实证明，这些传感器是穿过膜的双重通道，在休眠期间保持关闭，但当它们检测到营养物质时迅速打开。一旦打开，这些通道允许带电离子通过细胞膜流出，启动保护性孢子层的脱落，并在多年--甚至几个世纪--的休眠期后开启代谢过程。

该团队的研究结果最近发表在《科学》杂志上，可以帮助设计出防止危险的细菌孢子休眠数月，甚至数年，然后再次苏醒并导致感染爆发的方法。

"这项发现解决了一个超过一个世纪的难题，"研究的高级作者、HMS的Blavatnik研究所的微生物学教授David Rudner说。"当细菌的系统在保护壳内几乎完全关闭时，它们如何感知环境的变化并采取行动打破休眠状态？"

沉睡的细菌是如何复活的

为了在不利的环境条件下生存，一些细菌进入休眠状态，成为孢子，生物过程被搁置，细胞周围有多层保护性盔甲。

这些具有生物惰性的迷你堡垒使细菌能够等待饥荒期，并保护自己免受极端高温、干燥期、紫外线辐射、刺激性化学品和抗生素的蹂躏。

一个多世纪以来，科学家们已经知道，当孢子检测到它们环境中的营养物质时，它们会迅速脱去它们的保护层，重新点燃它们的代谢引擎。尽管使它们能够检测到营养物质的传感器在近50年前就被发现了，但传递唤醒信号的方式以及该信号如何触发细菌的复活过程仍然是一个谜。

在大多数情况下，信号传递依赖于新陈代谢活动，并且经常涉及编码蛋白质的基因，以制造特定的信号分子。然而，这些过程在休眠细菌内部都是关闭的，这就提出了信号如何诱使沉睡的细菌醒来的问题。

在这项研究中，鲁德纳和团队发现，营养物质传感器本身组装成一个导管，使细胞重新开放。在对营养物质作出反应时，该管道（一个膜通道）打开，允许离子从孢子内部流出。这启动了一连串的反应，使休眠的细胞脱去保护性的盔甲，恢复生长。

科学家们利用多种途径来追踪这个谜团的曲折性。他们部署了人工智能工具来预测复杂折叠的传感器复合物的结构，这种结构由同一传感器蛋白的五个副本组成。他们应用机器学习来确定构成通道的亚单位之间的相互作用。他们还使用基因编辑技术来诱导细菌产生突变体传感器，以此来测试基于计算机的预测在活细胞中是如何发挥的。

鲁德纳将这一案例中的发现过程描述为一系列混乱的观察，由于具有不同观点的研究团队协同工作，这些观察慢慢成形。

在这一过程中，他们不断有令人惊讶的观察结果，使他们感到困惑，暗示了一些看起来不可能是真的答案。

将线索拼接起来

当鲁德纳实验室的HMS研究员高永强在用微生物枯草芽孢杆菌进行一系列实验时，出现了一条早期线索。Gao将其他形成孢子的细菌的基因引入枯草杆菌，以探索产生的不匹配的蛋白质会干扰发芽的想法。令他惊讶的是，Gao发现在某些情况下，细菌孢子在使用一套来自远缘细菌的蛋白质后能完美地苏醒。

在进行这项研究时，该实验室的博士后Lior Artzi为高晓松的发现提出了一个解释。如果传感器是一种受体，在检测到信号（在这种情况下是一种营养物质，如糖或氨基酸）之前，它的作用就像一个封闭的闸门，那会怎么样？一旦传感器与营养物质结合，大门就会弹开，允许离子从孢子中流出来。

换句话说，来自远缘细菌的蛋白质将不需要与不匹配的枯草杆菌孢子蛋白相互作用，而只是在离子开始流动时对孢子的电状态变化作出反应。

鲁德纳最初对这一假设持怀疑态度，因为该受体并不符合特征。它几乎没有离子通道的特征。但阿特兹认为，该传感器可能是由多个亚单位的副本组成的，在一个更复杂的结构中共同工作。

AlphaFold的帮助下带来的发现

另一位博士后杰里米-阿蒙是AlphaFold的早期使用者，AlphaFold是一种可以预测蛋白质和蛋白质复合物结构的人工智能工具，他也在研究孢子发芽，并准备调查营养传感器。

该工具预测，一个特定的受体亚单位组装成一个五单元的环，称为五聚体。预测的结构包括中间的一个通道，可以让离子通过孢子的膜。人工智能工具的预测与Artzi的猜测不谋而合。

高晓松、阿齐和阿蒙随后合作测试了人工智能生成的模型。他们与第三位博士后Fernando Ramírez-Guadiana和HMS生物化学和分子药理学教授Andrew Kruse以及HMS系统生物学副教授、计算生物学家Deborah Marks的小组密切合作。

他们用改变的受体亚单位设计了孢子，预测其会拓宽膜通道，并发现孢子在没有营养信号的情况下会苏醒。反过来，他们产生了突变的亚单位，他们预测这些亚单位会缩小通道的孔径。这些孢子未能打开释放离子的闸门，并且在有充足的营养物质哄骗它们脱离休眠的情况下从静止状态苏醒。

换句话说，与预测的折叠复合物的配置稍有偏差，就会使门卡住或关闭，使其作为唤醒休眠细菌的工具变得毫无用处。

对人类健康和食品安全的影响

鲁德纳说，了解休眠细菌如何恢复生命不仅仅是一个智力上的诱人难题，而且对人类健康也有重要影响。一些能够长时间进入深度休眠状态的细菌是危险的，甚至是致命的病原体： 白色粉末状的武器化炭疽病是由细菌孢子组成的。

另一种危险的孢子形成的病原体是艰难梭状芽孢杆菌，它引起危及生命的腹泻和结肠炎。艰难梭菌的疾病通常发生在使用抗生素之后，抗生素可以杀死许多肠道细菌，但对休眠的孢子没有作用。在治疗后，艰难梭菌从休眠中苏醒，并可能大量繁殖，往往会造成灾难性的后果。

消除孢子也是食品加工厂的一个核心挑战，因为休眠细菌由于其保护性盔甲和脱水状态，可以抵制消毒处理。如果消毒不成功，发芽和生长会造成严重的食源性疾病和巨大的经济损失。

了解孢子如何感知营养并迅速脱离休眠状态，可以使研究人员开发出早期触发发芽的方法，从而有可能对细菌进行消毒，或者阻止发芽，使细菌被困在其保护壳内，无法生长、繁殖，使食物变质或导致疾病。