2021年4月12日，《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表了北京大学生物医学前沿创新中心（BIOPIC）、生命科学学院白凡课题组的合作研究论文：Probing bacterial cell wall growth by tracing wall-anchored protein complexes（通过追踪细胞壁锚定蛋白运动揭示细菌细胞壁生长规律）。
细胞的生长和分裂是重要的生命过程。在细胞生长和分裂过程中，维持稳定的细胞形状十分重要，常常由精密的调控机制来实现。在细菌中，细胞的外壳结构由细胞膜（主要含磷脂分子）和细胞壁（主要含肽聚糖分子）组成。细菌的外壳结构除了保持细胞形状外，还为平衡渗透压提供了力学支撑。细菌生长和分裂过程中，在细胞骨架蛋白和一系列酶的作用下，细菌细胞壁经历延伸、重塑、断裂等动态改变。尽管肽聚糖分子的化学组成和微观连结得到了充分的研究，但在细胞水平肽聚糖分子的合成与插入如何改变细菌细胞壁形态还存在较多未知。以往的研究通过在细菌细胞壁合成中引入荧光D型氨基酸，初步实现了细胞壁插入模式的定性测量。然而，在活细胞中以高时空分辨率解析细菌细胞壁合成的定量规律还存在较大挑战。
本研究中，研究者提供了一个创新思维，即通过追踪细菌细胞壁锚定蛋白的相对运动来间接推断细胞壁生长的动态规律。研究人员使用Alexa 594荧光染料对细菌鞭毛分子马达（bacterial flagellar motor, BFM）进行了荧光标记。BFM是典型的固定于细菌细胞壁上的蛋白质复合物，在一个细胞中有5-10个BFM分布。由于它们紧密地固定于细胞壁上，因此细菌细胞壁的生长可以通过在活细胞上监测这些荧光“锚点”之间相对距离的变化而得以解析（图1A，图2A-B）。
研究人员首先观测了细菌生长过程中荧光BFM相对细菌一个端点的距离变化。有趣的是，细菌细胞壁的延伸似乎存在一个明确的边界，分隔开肽聚糖分子活跃插入的“活动区”和没有肽聚糖分子插入的“静止区”。支持这一结论的实验证据是伴随着细菌细胞的生长，距离端点“边界距离”之外的BFM会逐渐远离端点，而距离端点“边界距离”之内的BFM始终保持和端点距离不变（图1B-D）。
图1: 追踪细胞壁锚定蛋白距离细胞端点的相对运动来解析细胞壁生长的动态规律
接下来，研究人员监测了细菌生长过程中荧光BFM两两之间的相对距离变化（图2A-B）。有趣的是，在细菌延伸方向上，荧光BFM两两之间的相对距离改变的速率与相对距离本身呈现正相关线性关系；而垂直于细菌延伸方向，荧光BFM两两之间均不存在相对距离改变（图2C-F）。这说明沿着细菌生长方向，在“活动区”内肽聚糖分子的插入和延伸是空间均匀的，并且细菌生长过程中不会出现垂直于生长方向的“扭动”。
图2: 追踪细胞壁锚定蛋白两两之间的相对运动来解析细胞壁生长的动态规律
在已知“活跃区”内肽聚糖分子的插入和延伸是空间均匀后，研究人员因此以细胞中心为原点，引入新的规范化坐标系（荧光BFM相对细胞中心的坐标除以细胞长度）。在此规范化坐标系中，细菌生长而不分裂时，每个荧光BFM的坐标是恒定不变的。之后，研究人员追踪细菌经历细胞分裂，发现荧光BFM进入子细胞后的空间位置，可由简单的Bernoulli shift map模型进行预测，满足：
其中Ny(n)和Ny(n+1)是一个荧光BFM在规范化坐标系中在细菌第n代和第n+1代中的坐标位置（图3A-E）。
图3：细胞壁锚定蛋白在细菌分裂前后坐标满足Bernoulli shift map
最后，研究人员探讨了细菌细胞壁锚定蛋白在细胞分裂过程遵循Bernoulli shift map模型的生理意义。通过双色荧光标记，研究人员监测了细菌分裂后新生成的BFM所处的空间位置，发现它们偏好于集中在细菌的中部，这可能与转录BFM的基因在细菌DNA上所处的位置偏向中部相关。然而，Bernoulli shift map的一个重要特性是可以很快的抹去空间分布的不均匀性，于是仅仅只需经过一次细胞分裂，就可以造成BFM在细菌表面趋向均匀的空间分布，有利于细菌游动和趋向性。
综上所述，本研究通过追踪细菌细胞壁锚定蛋白的相对运动来揭示细胞壁生长的动态规律，发现：1）细菌生长过程中，细胞壁存在肽聚糖分子活跃插入的“活动区”和没有肽聚糖分子插入的“静止区”；2）沿着细菌生长方向，在“活动区”内肽聚糖分子的插入和延伸是空间均匀的；3）细菌经历细胞分裂，细胞壁锚定蛋白进入子细胞后的空间位置，遵循Bernoulli shift map模型。此项研究对于理解细菌细胞壁生长具有重要意义。
