基于PDB代码文件1jce构建原核生物蛋白MreB的结构图，图片来自维基共享资源。
九重冰(Ice-9)是一种出现在美国著名反战小说大师库尔特-冯内古特(Kurt Vonnegut)撰写的小说《猫的摇篮》(Cat's Cradle)中的虚构物质。它应当是比常见的冰更为稳定的一种水的形态，在45.8 °C时融化。当与低于45.8 °C的液态水接触时，它作为晶种(seed crystal)发挥作用，导致整个水体像Ice-9那样快速结晶。在冯内古特的这篇小说里，只需用Ice-9接触一下就可使地球上的海洋发生凝固从而造成一场全球性的灾难。基于此，Ice-9很吸引人。根据来自哈佛大学和普林斯顿大学的研究人员最近发表的一篇论文，细菌细胞壁中的一个组分MreB也有类似于Ice-9的作用机制。
在这项研究中，研究人员发现细菌细胞壁中的这个组分对细胞的最终形状有着巨大的影响。想象一下“MreB细胞骨架(MreB cytoskeleton)”是世界上最微小的指挥家，指挥着上千名音乐家(即细菌)演奏交响曲。更加吸引人的是，细菌的一种“左手”手性分子框架("left handed" molecular framework)产生一种“右手”手性分子结构。
细胞骨架(cytoskeleton)是真核细胞中由蛋白质聚合而成的三维的纤维状网架体系。细胞骨架包括微丝(也称作肌动蛋白微丝)、微管和中间纤维。细胞骨架在细胞分裂、细胞生长、细胞物质运输、细胞壁合成等等许多生命活动中都具有非常重要的作用。
调节细胞形状是生物界中所有生物面临的一种共同的挑战。在几乎所有的细菌中，细胞形状是由细胞壁的结构决定的。
MreB是在细菌中发现的，是肌动蛋白的同源物，与肌动蛋白存在三维结构相似性和保守的活性位点肽序列。这种蛋白结构保守提示着真核生物中发现的肌动蛋白形成的细胞骨架元件和原核生物中发现的MreB形成的细胞骨架元件有着共同的祖先。已有研究发现MreB蛋白聚合形成类似于肌动蛋白微丝(actin microfilament)的纤维。
原核生物中类肌动蛋白(actin-like protein)，如MreB，参与细胞形状的维持。所有非球状的细菌拥有表达类肌动蛋白的基因，如大肠杆菌存在mreB基因。当大肠杆菌MreB蛋白存在缺陷时，该细菌就从杆状变成球状。而且，自然球状的细菌没有表达MreB的基因。这些类肌动蛋白在细胞膜底下形成引导参与细胞壁生物合成的蛋白运动的螺旋网络结构。
除了形状之外，细胞生长必须维持细胞壁的结构完整性。细菌通过建立一种整体有序性的细胞壁网络，稳健地维持这种完整性。只不过细菌如何利用纳米大小的蛋白在微米水平上产生和维持这种有序性仍然是个谜。
在这篇研究中，研究人员证实在大肠杆菌中左手手性的MreB细胞骨架能够导致细胞壁产生整体性的右手手性排布结构。细胞壁构建材料在MreB指导下局部地插入肽聚糖网络结构中而且自然有序地形成聚糖链(glycan strand)并导致细胞在伸长生长期间左手旋转。通过比较芽孢杆菌细胞的右手旋转，这些研究结果支持一种常见的机制：在杆菌中肽聚糖螺旋插入和手性细胞壁有序排列相关联。这些细胞生长的物理原则与细菌细胞骨架、细胞壁合成的机制以及细胞壁结构的协调性存在联系。
这项发现为什么比较重要呢？因为科学家从中能够更多地理解细菌是如何自我复制的，这样，科学家就有更多的机会在它们入侵人类之前将其杀死。(生物谷：towersimper编译)
doi:10.1073/pnas.1117132109
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Helical insertion of peptidoglycan produces chiral ordering of the bacterial cell wall
Siyuan Wang, Leon Furchtgott, Kerwyn Casey Huang, and Joshua W. Shaevitz
The regulation of cell shape is a common challenge faced by organisms across all biological kingdoms. In nearly all bacteria, cell shape is determined by the architecture of the peptidoglycan cell wall, a macromolecule consisting of glycan strands crosslinked by peptides. In addition to shape, cell growth must also maintain the wall structural integrity to prevent lysis due to large turgor pressures. Robustness can be accomplished by establishing a globally ordered cell-wall network, although how a bacterium generates and maintains peptidoglycan order on the micron scale using nanometer-sized proteins remains a mystery. Here, we demonstrate that left-handed chirality of the MreB cytoskeleton in the rod-shaped bacterium Escherichia coli gives rise to a global, right-handed chiral ordering of the cell wall. Local, MreB-guided insertion of material into the peptidoglycan network naturally orders the glycan strands and causes cells to twist left-handedly during elongational growth. Through comparison with the right-handed twisting of Bacillus subtilis cells, our work supports a common mechanism linking helical insertion and chiral cell-wall ordering in rod-shaped bacteria. These physical principles of cell growth link the molecular structure of the bacterial cytoskeleton, mechanisms of wall synthesis, and the coordination of cell-wall architecture.
