惰性的、沉睡的細菌–或稱孢子–可以在沒有營養物質的情況下存活數年，甚至數百年，抵禦熱量、紫外線輻射、抗生素和其他苛刻的化學物質。孢子如何恢復生命一直是一個長達一個世紀的謎。新的研究確定了感應蛋白是如何使休眠細菌復活的。這一發現為對抗孢子對抗生素和消毒的抗性開闢了新的途徑，還可以為預防感染和食品腐敗的新策略提供參考。

炭疽桿菌的三維插圖，炭疽桿菌是導致炭疽的孢子形成的細菌。哈佛大學醫學院的研究人員發現了一種細胞傳感器，它能使細菌孢子感知營養物質並從休眠中甦醒。這一發現可以幫助防止危險的休眠細菌引起爆發。

自從150多年前首次描述細菌孢子–惰性、沉睡的細菌–以來，哈佛大學醫學院的研究人員解決了一個困惑生物學家的謎題，他們發現了一種新的細胞傳感器，使孢子能夠檢測到其環境中存在的營養物質並迅速恢復活力。

事實證明，這些傳感器是穿過膜的雙重通道，在休眠期間保持關閉，但當它們檢測到營養物質時迅速打開。一旦打開，這些通道允許帶電離子通過細胞膜流出，啟動保護性孢子層的脫落，並在多年–甚至幾個世紀–的休眠期後開啟代謝過程。

該團隊的研究結果最近發表在《科學》雜誌上，可以幫助設計出防止危險的細菌孢子休眠數月，甚至數年，然後再次甦醒並導致感染爆發的方法。

“這項發現解決了一個超過一個世紀的難題，”研究的高級作者、HMS的Blavatnik研究所的微生物學教授David Rudner說。”當細菌的系統在保護殼內幾乎完全關閉時，它們如何感知環境的變化並採取行動打破休眠狀態？”

沉睡的細菌是如何復活的

為了在不利的環境條件下生存，一些細菌進入休眠狀態，成為孢子，生物過程被擱置，細胞周圍有多層保護性盔甲。

這些具有生物惰性的迷你堡壘使細菌能夠等待飢荒期，並保護自己免受極端高溫、乾燥期、紫外線輻射、刺激性化學品和抗生素的蹂躪。

一個多世紀以來，科學家們已經知道，當孢子檢測到它們環境中的營養物質時，它們會迅速脫去它們的保護層，重新點燃它們的代謝引擎。儘管使它們能夠檢測到營養物質的傳感器在近50年前就被發現了，但傳遞喚醒信號的方式以及該信號如何觸發細菌的複活過程仍然是一個謎。

在大多數情況下，信號傳遞依賴於新陳代謝活動，並且經常涉及編碼蛋白質的基因，以製造特定的信號分子。然而，這些過程在休眠細菌內部都是關閉的，這就提出了信號如何誘使沉睡的細菌醒來的問題。

在這項研究中，魯德納和團隊發現，營養物質傳感器本身組裝成一個導管，使細胞重新開放。在對營養物質作出反應時，該管道（一個膜通道）打開，允許離子從孢子內部流出。這啟動了一連串的反應，使休眠的細胞脫去保護性的盔甲，恢復生長。

科學家們利用多種途徑來追踪這個謎團的曲折性。他們部署了人工智能工具來預測複雜折疊的傳感器複合物的結構，這種結構由同一傳感器蛋白的五個副本組成。他們應用機器學習來確定構成通道的亞單位之間的相互作用。他們還使用基因編輯技術來誘導細菌產生突變體傳感器，以此來測試基於計算機的預測在活細胞中是如何發揮的。

魯德納將這一案例中的發現過程描述為一系列混亂的觀察，由於具有不同觀點的研究團隊協同工作，這些觀察慢慢成形。

在這一過程中，他們不斷有令人驚訝的觀察結果，使他們感到困惑，暗示了一些看起來不可能是真的答案。

將線索拼接起來

當魯德納實驗室的HMS研究員高永強在用微生物枯草芽孢桿菌進行一系列實驗時，出現了一條早期線索。Gao將其他形成孢子的細菌的基因引入枯草桿菌，以探索產生的不匹配的蛋白質會干擾發芽的想法。令他驚訝的是，Gao發現在某些情況下，細菌孢子在使用一套來自遠緣細菌的蛋白質後能完美地甦醒。

在進行這項研究時，該實驗室的博士後Lior Artzi為高曉鬆的發現提出了一個解釋。如果傳感器是一種受體，在檢測到信號（在這種情況下是一種營養物質，如糖或氨基酸）之前，它的作用就像一個封閉的閘門，那會怎麼樣？一旦傳感器與營養物質結合，大門就會彈開，允許離子從孢子中流出來。

換句話說，來自遠緣細菌的蛋白質將不需要與不匹配的枯草桿菌孢子蛋白相互作用，而只是在離子開始流動時對孢子的電狀態變化作出反應。

魯德納最初對這一假設持懷疑態度，因為該受體並不符合特徵。它幾乎沒有離子通道的特徵。但阿特茲認為，該傳感器可能是由多個亞單位的副本組成的，在一個更複雜的結構中共同工作。

AlphaFold的幫助下帶來的發現

另一位博士後傑里米-阿蒙是AlphaFold的早期使用者，AlphaFold是一種可以預測蛋白質和蛋白質複合物結構的人工智能工具，他也在研究孢子發芽，並準備調查營養傳感器。

該工具預測，一個特定的受體亞單位組裝成一個五單元的環，稱為五聚體。預測的結構包括中間的一個通道，可以讓離子通過孢子的膜。人工智能工具的預測與Artzi的猜測不謀而合。

高曉松、阿齊和阿蒙隨後合作測試了人工智能生成的模型。他們與第三位博士後Fernando Ramírez-Guadiana和HMS生物化學和分子藥理學教授Andrew Kruse以及HMS系統生物學副教授、計算生物學家Deborah Marks的小組密切合作。

他們用改變的受體亞單位設計了孢子，預測其會拓寬膜通道，並發現孢子在沒有營養信號的情況下會甦醒。反過來，他們產生了突變的亞單位，他們預測這些亞單位會縮小通道的孔徑。這些孢子未能打開釋放離子的閘門，並且在有充足的營養物質哄騙它們脫離休眠的情況下從靜止狀態甦醒。

換句話說，與預測的折疊複合物的配置稍有偏差，就會使門卡住或關閉，使其作為喚醒休眠細菌的工具變得毫無用處。

對人類健康和食品安全的影響

魯德納說，了解休眠細菌如何恢復生命不僅僅是一個智力上的誘人難題，而且對人類健康也有重要影響。一些能夠長時間進入深度休眠狀態的細菌是危險的，甚至是致命的病原體： 白色粉末狀的武器化炭疽病是由細菌孢子組成的。

另一種危險的孢子形成的病原體是艱難梭狀芽孢桿菌，它引起危及生命的腹瀉和結腸炎。艱難梭菌的疾病通常發生在使用抗生素之後，抗生素可以殺死許多腸道細菌，但對休眠的孢子沒有作用。在治療後，艱難梭菌從休眠中甦醒，並可能大量繁殖，往往會造成災難性的後果。

消除孢子也是食品加工廠的一個核心挑戰，因為休眠細菌由於其保護性盔甲和脫水狀態，可以抵制消毒處理。如果消毒不成功，發芽和生長會造成嚴重的食源性疾病和巨大的經濟損失。

了解孢子如何感知營養並迅速脫離休眠狀態，可以使研究人員開發出早期觸發發芽的方法，從而有可能對細菌進行消毒，或者阻止發芽，使細菌被困在其保護殼內，無法生長、繁殖，使食物變質或導致疾病。