微生物Pyrodictium abyssi是一种古菌——属于生命的第三个领域——并且是一种极端生物。它生活在深海热泉中，温度高于水的沸点，没有光和氧气，能够承受数千米深海的巨大压力。
一种被称为管状体的微小蛋白质管道的生物基质结构，将Pyrodictium abyssi的细胞连接在一起，形成一个高度稳定的微生物群落。没有人知道这些单细胞微生物是如何完成这一极端工程的壮举——直到现在。
一项使用先进显微技术的研究揭示了管状体优雅设计的新细节以及其构建方法的显著的简单性。自然通讯 发表了这项工作，由埃默里大学、弗吉尼亚大学（夏洛茨维尔）和比利时布鲁塞尔自由大学的科学家们共同完成。
这一发现可能会激发生物技术的创新，从新型“智能”材料的研发到纳米药物输送系统。
埃默里大学化学教授、论文共同资深作者文森特·孔蒂切洛（Vincent Conticello）表示：“这些管状体不仅足够坚固以承受极端条件，而且它们很美丽。”他补充道：“在我看来，它们就像古希腊或罗马的古典建筑柱子，”并提到它们的凹槽边缘和规则的精确度。
研究人员展示了矿物钙如何触发蛋白质分子上的链条一个接一个地连接在一起，自我组装成复杂的管状结构。
孔蒂切洛说：“我们对这一构建过程的简单性感到震惊。”
这项研究为管状体在信息和货物运输网络中的可能作用提供了新线索。它还增加了证据，表明Pyrodictium abyssi可能是一个原始示例，说明多细胞生命形式是如何在数十亿年前的早期地球“原始汤”中出现的。
“深海火焰菌总是形成这些管道，”孔提切洛说。“这可能给它们带来了进化上的优势，使它们能够交换物质，从而让整个群体在极端条件下生存。”
论文的共同第一作者包括杰萨琳·米勒，她在埃默里大学攻读博士学位期间完成了这项工作，现已毕业并在纽约结构生物学中心工作；布鲁塞尔自由大学的迈克·斯图特尔；以及弗吉尼亚大学（夏洛茨维尔）的拉维·索纳尼。埃默里大学的研究生安德烈斯·冈萨雷斯·索科罗是共同作者。
共同资深作者包括汉·雷莫特（布鲁塞尔自由大学）和爱德华·埃格尔曼（弗吉尼亚大学，夏洛茨维尔）。国际合作的其他作者包括来自加拿大莱斯布里奇大学和德国图宾根的马克斯·普朗克研究所的研究人员。
极端微生物与古菌域
极端微生物是能够在地球上最恶劣条件下生存的微生物，首次在1969年于黄石国家公园的近沸腾热泉中被发现。从那时起，寻找这些坚韧生命形式的“生物勘探者”发现它们生活在深矿的酸性环境中、被冰封，或者在深海热泉中。
这些极端微生物中的一些是古菌域的成员，古菌域被发现是一个全新的生命分支。
古菌不仅能在极端环境中生存。它们无处不在，构成了所有生物的微生物群落的一部分，包括人类，在人类的肠道、口腔和皮肤上都能找到它们。
然而，直到1977年，古菌才得以正确分类，当时对古菌遗传物质的分析显示它们并不是之前认为的细菌。相反，这些单细胞生物与细菌域和真核域（后者包括所有多细胞生物）有着不同的进化谱系。
深海火焰菌的名称源于希腊词根，分别意为“火”、“网络”和“深渊”，于1991年由德国微生物学家卡尔·斯特特尔从海底热泉中分离出来。
科学家们正在研究 各种古菌，试图识别能够在极端环境下工作的酶——一种作为生物催化剂的特殊类型蛋白质。这些酶可能为一系列应用的生物工程工具铺平道路。
蛋白质研究和显微镜技术的进展
Conticello实验室专注于开发适合生物医学和其他复杂技术的蛋白质。
在过去十年中，蛋白质生物化学领域随着所谓的“分辨率革命”在低温电子显微镜（cryo-EM）领域的迅速发展。该技术使科学家能够制作细胞和蛋白质的详细3D图像。这些快照随后被串联成定格动画。
Conticello说：“在之前的低温电子显微镜分辨率下，我们无法看到单个分子的结构细节。现在，我们拥有接近原子级的分辨率，让我们能更清楚地观察蛋白质及其相互作用。”
在过去五年中，人工智能技术的进步也加速了解决蛋白质3D结构谜团的能力。由谷歌DeepMind开发的 AlphaFold AI系统，能够根据基因组序列以空前的准确性和速度预测蛋白质结构。
Conticello引用了DNA双螺旋结构的共同发现者Francis Crick的名言：“如果你想理解功能，就要研究结构。”
就像扭曲的梯子状DNA结构决定了它的功能一样，蛋白质的结构也是如此。
研究和合成导管蛋白
研究从自然中采集的Pyrodictium abyssi样本是有挑战性的。这种微生物需要高压、无氧的环境才能生存。
“它还必须在氢气环境中生长，并产生硫化氢，这对人类极具腐蚀性和毒性，”Conticello说。
为了更详细地观察导管的结构，而不直接研究Pyrodictium abyssi，Conticello实验室合成了该蛋白质的DNA序列。然后将蛋白质基因植入实验室的E. coli细菌中，这些细菌读取基因编码的信息并产生导管蛋白质。
埃默里团队与弗吉尼亚大学的研究人员合作，通过高功率冷冻电子显微镜获得了迄今为止对蛋白质管的最详细观察。他们还研究了蛋白质如何生长成这种结构，通过高分辨率视图和化学分析。
他们展示了如何向蛋白质溶液中添加钙离子会触发多米诺效应，使一种蛋白质的链条与另一种蛋白质结合。
“一种蛋白质的结合启动了下一个蛋白质的过程，”Conticello说。“这就像一系列的蛋白质多米诺，相互撞击，然后像乐高积木一样拼接到一起。这就是蛋白质管形成的方式。”
钙离子留在结构里，就像砂浆帮助固定蛋白质“砖块”。
Conticello说，令人惊讶的是，仅仅通过添加钙就能发生如此强的相互作用，而不需要像纤毛和鞭毛这样的细胞机械帮助——这些毛发状结构通常使微生物能够移动。
“看到如此复杂而美丽的结构竟然源于如此简单的过程，真让人鼓舞，”Conticello说。
合作与未来应用
研究人员将合成的管状结构提交给了蛋白质数据银行（Protein Data Bank），该银行提供超过200,000个蛋白质结构的开放访问，以加速科学研究。
布鲁塞尔自由大学的研究人员——正在艰难地从实际的Pyrodictium abyssi样本中分离蛋白质——在公共数据库上看到了合成的管状结构。
这为当前论文的国际合作铺平了道路。
Conticello表示：“我们能够证明实验室中生长的管状结构与从细胞样本中生长的管状结构具有相同的架构和分子结构。这为更多潜在应用打开了大门，因为研究和生成合成结构要容易得多，更具实用性。”
作者们正在进一步研究管状结构作为合成蛋白质基生物材料的潜在应用。
对从生物样本中生长的管状结构的分析显示出螺旋形货物的迹象。作者们提出货物可能是DNA，尽管没有足够的材料来分离和确认这一假设的真实性。
Conticello说：“DNA带有高度负电荷，而管状结构的内部带有正电荷，这进一步暗示了Pyrodictium abyssi可能利用这些管道来运输DNA。我们想要研究在合成管状结构的内部封装不同种类货物的想法，利用管道的正电荷。”
他们已经证明可以将带负电荷的金纳米颗粒封装在管状结构的带正电荷的内部。因为它们具有独特的光学特性，并且能够针对特定细胞进行药物输送和诊断成像，金纳米颗粒在生物医学应用中具有重要意义。
更多信息： Mike Sleutel 等，供体链互补作用和钙离子配位驱动古菌通道的无伴侣聚合过程，自然通讯期刊（2025）。 DOI: 10.1038/s41467-025-64120-8
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