日本大阪大學研究生院生命機能研究科的福岡創副教授、石島秋彥教授等人的研究團隊，成功實現從單細胞層面同步觀測大腸桿菌的趨向應答與胞內信號傳導。相關研究成果已發在於《Science Advances》上。
圖1 大腸桿菌的趨化性及趨化性系統的信號傳導路徑（供圖：大阪大學）
大腸桿菌雖是微小的單細胞生物，卻可通過趨化性系統這一信號傳導系統調控鞭毛馬達旋轉，向適宜的生存環境移動。胞外刺激被細胞膜內的接受者識別，相關信號經由磷酸化的應答調節因子傳遞至鞭毛馬達，進而調控細胞運動。當大腸桿菌感知到有利刺激（引誘刺激）時，會抑制組胺酸激酶的活性與應答調節因子的磷酸化，從而促進鞭毛馬達逆時針旋轉。最終，細胞便會朝向引誘刺激方向直線游動。此外，系統會進行重置，不再對已產生應答的引誘刺激做出反應，從而停留在適宜環境中。
圖2 引誘刺激下應答調節因子濃度變化與細胞應答的同步檢測。
（A）檢測用細胞系統；（B）檢測系統；（C）結果示例。表達經YFP標記的應答調節因子、CFP標記的脫磷酸作用酶的細胞螢光圖像；（D）附著在C所示細胞上的微珠圖像；（E）C和D所示細胞的螢光強度、FRET比值、鞭毛馬達施轉方向隨時間的變化。（摘自論文（Science Advances 12(16):eaea7305））（供圖：大阪大學）
然而，在應對刺激而發生應答的細胞中，負責資訊傳遞的酶呈現何種動態、這種動態又與何種細胞行為相關聯，此前一直不明確。
研究團隊用YFP螢光標記應答調節因子、用CFP螢光標記應答調節因子的脫磷酸作用酶，通過測量這兩種蛋白質之間的螢光共振能量轉移（FRET），同步觀測了引誘刺激下應答調節因子的濃度變化以及細胞的應答（鞭毛馬達旋轉）。
研究團隊在單個活細胞中證實，鞭毛馬達可靈敏響應由引誘刺激引發的應答調節因子濃度下降，以及因適應而導致的濃度恢復，並且馬達對響應調節因子濃度的敏感度在刺激接收前與刺激適應後發生改變。據此，研究闡明瞭引誘應答過程中應答調節因子的胞內動態與細胞行為之間的關聯。
致力於闡明生物的行為作用機制
福岡副教授表示：「大腸桿菌僅單個細胞便可構成獨立完整的生命體。通過本次研究，我們得以從蛋白質動態變化的角度，探明細胞對化學物質產生應答行為的部分機制。今後我們將繼續致力於闡明胞內生物分子的活動催生生物行為的內在原理。同時進一步拓展本研究成果，探索解析病原菌在寄主體內如何遷移、選擇感染位點等感染過程機制，同時也力爭研發通過調控細菌行為機制來抑制感染的全新方法」。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Science Advances
論文：Correlation of CheY-P concentration and motor behavior during attractant adaptation in single E. coli cells
URL：10.1126/sciadv.aea7305
