颠覆微生物学的发现：细菌感染至关重要的新细胞器

以前曾在革兰氏阴性环境厌氧菌中发现含铁小体颗粒，然而，它们在革兰氏阳性细菌中的存在尚未有文献记载。现在，一组研究人员发现，艰难梭菌(C. diff)产生铁小体（ferrosomes），这些结构对动物模型中的感染很重要。此外，这些发现是病原菌内部罕见的膜结合结构的证明。

这项工作发表在《自然》杂志。

范德比尔特感染、免疫学和炎症研究所的病理学教授兼主任Eric Skaar博士说:“细菌确实以类似于真核细胞的方式划分生化过程，这一新兴观点确实颠覆了微生物学领域。”

Skaar说:“在像细胞这样的小空间中寻找元素积累的最佳方法是使用一种称为STEM-EDS的方法，这种方法通常不用于生物样品。我们很幸运能够使用STEM-EDS仪器和范德比尔特纳米科学与工程研究所(VINSE)的合作者，我们很快证明了细菌内部有铁‘点’的积累。”

根据美国疾病控制与预防中心(Centers for Disease Control and Prevention)的数据，在美国，艰难梭菌每年导致约50万人感染，超过2.9万人死亡，而治疗选择有限。服用破坏肠道中健康微生物的抗生素的人感染艰难梭菌的风险增加，从而导致腹泻和结肠炎。Skaar说，需要采取新的战略来处理这一紧迫的公共卫生威胁。

研究人员发现，铁小体的形成需要两个基因(fezA和fezB)，它们与环境细菌中的基因相似。更具体地说，他们写道，“膜蛋白(FezA)和P_1B6-ATPase酶转运蛋白(FezB)，受铁和铁摄取调节剂Fur的抑制，是铁小体形成所必需的，在铁从缺乏到过量过渡的铁稳态中起着重要作用。”

他们表明，在动物模型中，铁小体是艰难梭菌完全定植和引起疾病所必需的，而在炎症性肠病模型中，铁小体对艰难梭菌感染更为重要。这些发现表明，这些含铁结构有助于细菌对抗“营养免疫”——宿主产生蛋白质结合铁并试图饿死病原体的反应。

然后，他们使用低温电子显微镜(cryo-EM)和低温断层扫描(cryo-tomography)显示，铁小体结构被包裹在一层膜中，并将它们归类为细胞器。

Skaar说，这些结果“确立了铁小体的形成以及与铁小体形成相关的所有因素作为对抗重要传染病的新型抗菌药物的潜在靶标，任何时候我们发现参与宿主-病原体相互作用的新因素，并表明它们对感染很重要，这就为制造以前不存在的抗菌药物提供了全新的机会。面对我们在全球范围内看到的日益严重的抗菌素耐药性，这一点尤为重要。”

在未来的研究中，研究人员计划探索铁小体是如何形成的，其他肠道病原体是否会产生铁小体，以及这些结构是否可能在肠道中作为铁的来源共享。Skaar对细菌细胞器的新兴领域也特别感兴趣。

他说:“我们认为我们的研究是对病原菌中细胞器的罕见展示。现在我们想知道细菌中是否还有其他我们感兴趣的亚细胞区室，可以告诉我们这些细胞是如何进行各种生理过程的。”