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梅洋汤：“重度结石细菌”——小石子细菌Achromatium

上一篇整体介绍了一下“小石子细菌”Achromatium的特殊性：细胞内含有大量碳酸钙颗粒。这一篇就以图片为主，主要看看在更加精细的电子显微镜下，这些细胞的内部构造。

因为体内含有的“结石”，小石子细菌远比同体积的细菌重得多。这也给我们提供了便利，能够把这些虽然没有被纯培养的细菌有效的富集起来。

我是怎么富集这些细菌的呢？直接采一些含有小石子细菌的泥浆，用纱布过滤，然后把滤液放入培养皿里——摇一摇~

就像是摇晃茶杯，茶叶就会被聚集到杯子中间一样，我只要轻轻的手腕发力，就能把成百上千个细胞聚集在培养皿中心。非常简单快捷。

被聚集起来的细胞在显微镜下看起来十分美丽：

利用共聚焦激光扫描显微镜观察染色后的细胞，发现小石子细菌是目前发现的“最重”的细菌，每个细胞大约是2.62 + 0.34 ng /cell (mean + SE, n = 18)。但是需要注意的是，每个细胞中所含的碳酸钙颗粒，从数量和和分布上，都是不一样的，目前并没有发现明显的规律。

富集好的了细菌，会被手工转移，在各种显微镜下被测试。每次挑细菌的时候，我都很感慨：做科研还真是个吃年轻饭的行当，如果再过二十年，我眼花了，手也开始抖了，就什么都做不了了。当然，也可以用各种仪器来做，不过一来我没钱，二来机器总是没有人能随机应变那份灵活。就像是高档服装的刺绣总是各种强调是手工织花，因为人手做出来的，就是比机器做出来的刺绣和织花要更加灵动。不过，这种极致细微的活儿，回报给我的，是腰和脖子的各种毛病。

扯远了。

小石子细菌是空心的，还是实心的？它们的碳酸钙颗粒有什么特别吗？这一类问题就特别适合用电子显微镜来做。

在高分辨率的电子显微镜下，我们看到小石子细菌里的碳酸钙颗粒大小差别非常大（对比上图中的左上图和左下图），而在另一些细胞里，微小的颗粒像是“镶嵌”在大颗粒之间一样。这些不同可能是因为每个细胞并非同一属，或是细胞曾经处在不同条件下，使得碳酸钙颗粒产生了变化。而右下图表明，有的细胞表面还可能有粘液和其他附着物，并不只是一层简单的细胞壁。

当我们把一个细胞冷冻后从中破开，可以发现，小石子细菌是实心而不是中空的。整个细胞中层层叠叠的被碳酸钙颗粒所占满。

可能读者会问：“你们这么翻来覆去的折腾，得出这么个很明显的结论，到底有什么用？”

这个结果说明，虽然细胞的体积很大，但是其占据主要空间的，并不是细胞质和遗传物质，反而是碳酸钙。其实这个结果验证了我们的猜想：由于扩散速率会随着距离而显著减小，那细胞所需要的“食物”想通过扩散作用进入细胞，就很难进入细胞中心。而细胞中重要的比如RNA, DNA的形成，翻译和运输等，并无法跨过很长的距离，所以这些遗传物质和其他重要的细胞成分，都不应该被碳酸钙包裹在细胞中心。

那细胞的遗传物质比如DNA这些，都在哪里呢？

用核酸染料，我们发现，它们都被“挤到了”细胞的表层，那里各种物质交换十分频繁而且养料充足。

这也是很多其他大细菌采取的策略：用各种手段，将核酸等物质推到细胞表层。否则它们会由于无法从扩散作用中得到足够的养料而饿死。比如，现今世界上最大的细菌，珠硫菌，体内就有一个巨大的，含有硝酸盐的液泡，其作用就是提供电子受体，同时把核酸推到细胞表层。

说了这么多碳酸钙颗粒，那么硫颗粒呢？因为我们知道，如果硫颗粒被氧化后，会形成硫酸，从而使得碳酸钙溶解。那么是不是硫颗粒都是在特殊的位置产生，以免“误伤”呢？

我们用SEM-EDS扫描了很多颗细胞，来寻找硫的产生位置。SEM-EDS是一种可以分辨各种不同元素的电子显微镜技术。在它的帮助下，我们拿到了小石子细菌内钙和硫的分布图：

出乎我们意料的是，在整个细胞中，硫的分布并不是一个个的小颗粒，而是弥漫在整个细胞的碳酸钙颗粒之间！

大惑不解之下，我们扫描了很多个细胞，都显示细胞里的硫并不是颗粒状。

说好的硫颗粒呢？？？

那些大颗粒之间的小颗粒是什么呢？？

我又更加仔细的扫描了一下，发现无论是大颗粒，还是小颗粒，它们都是由钙组成的。

但硫信号并不一定会在细胞中出现，只有在没有被氧化时，细胞才会有硫，而且只出现在颗粒之间的缝隙里。

为了进一步确定小颗粒的组成，我们又用了能使钙离子染色，而不会使得碳酸钙颗粒，或是硫颗粒染色的染料，对整个细胞进行了染色。染色结果证明，那些曾经被认为是硫颗粒的小颗粒，都是富含Ca2+钙离子的小液泡。

这个发现质疑了之前一百多年来，所有人都认为的“Achromatium细胞中的大颗粒的碳酸钙，小颗粒是硫”的普遍认识。我们的结果表明，很可能硫并不是以颗粒的形式存储在细胞中，而是富集在大的碳酸钙颗粒的间隙里。而那些小的，富含钙离子的颗粒，则可能是细胞用来存储钙，从而不必再消耗ATP能量从环境中吸取额外的钙离子。这些小颗粒对于小石子细菌能够快速的应对环境的变化，从而形成/溶解碳酸钙颗粒，有着重要的作用。

文献来源：

Head IM, Gray ND, Howarth R, Pickup RW, Clarke KJ, Jones JG (2000). Achromatium oxaliferum – understanding the unmistakable. In: Schink B (ed). Advances in microbial ecology. Kluwer Academic/Plenum Publishers: New York. pp 1-40.

Head IM, Gray ND, Clarke KJ, Pickup RW, Jones JG (1996) The phylogenetic position and ultrastructure of the uncultured bacterium Achromatium oxaliferum. Microbiology 142:2341–2354

Gray ND, Pickup RW, Jones JG, Head IM (1997). Ecophysiological evidence that Achromatium oxaliferum is responsible for the oxidation of reduced sulfur species to sulfate in a freshwater sediment Appl Environ Microbiol 63: 1905-1910.

Salman V, Yang T, Berben T, Klein F, Angert E, Teske, A (2015) Calcite-accumulating large sulfur bacteria of the genus Achromatium in Sippewissett Salt Marsh. The ISME Journal 9:2503-2514

Schorn S, Cypionka H. (2018) A Crispy Diet: Grazers of Achromatium oxaliferum in Lake Stechlin Sediments. Microbial Ecology. doi: 10.1007/s00248-018-1158-4.

Yang T et al., (2018) Intracellular calcite and sulfur dynamics of Achromatium cells observed in a lab-based enrichment and aerobic incubation experiment. DOI 10.1007/s10482-018-1153-2

Ionescu D, Bizic-Ionescu M, De Maio N, Cypionka H, Grossart HP (2017) Community-like genome in single cells of the sulfur bacterium Achromatium oxaliferum. Nature Communications 8:455. doi: 10.1038/s41467-017-00342-9.

来源：知乎 www.zhihu.com

作者：梅洋汤

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