细菌杀死昆虫的秘密武器

来自多特蒙德的马克斯普朗克研究人员首次揭示了细菌毒素Mcf1的详细结构

　　

在感染期间，杀虫细菌通常会释放毒素杀死它们的宿主。例如，Photorhabdus luminescens细菌会向昆虫幼虫注入致命的“使毛虫松弛”(Mcf1)毒素，导致它们首先变得松弛，然后死亡。然而，到目前为止，Mcf1是如何展现其破坏性影响的还是一个谜。多特蒙德马克斯普朗克分子生理学研究所的研究人员成功地分析了Mcf1的结构，使他们能够提出毒素作用的分子机制。如此详细地了解细菌毒素是如何执行其致命任务的，对于设计新型生物农药非常有用，从而减少对生态系统有害副作用的几乎不特定的化学制剂的使用。

“我们是首次对这种毒素进行结构研究，”该研究的第一作者Alexander Belyy解释说。该项目耗时10年，其挑战在于蛋白质相对较大，由多个模块组成，每个模块都有特定的功能。马克斯·普朗克分子生理学研究所所长Stefan Raunser说:“使用我们最先进的低温电子显微镜设备和计算能力有助于解决这种结构。”

Cryo-EM允许研究人员以接近原子的分辨率获得蛋白质的3D图像，在这种情况下为3.6 angstrom这意味着可以观察到比人类头发宽度小20万倍的细节。科学家们能够证明Mcf1的结构类似于海马，它的头部含有几个有毒物质，而尾巴区域可以附着在目标细胞上。当毒素被寄主昆虫体内的细菌释放后，其尾部区域的三个结构域识别并结合到目标细胞膜上。然后，尾巴的另一个区域将头部穿过细胞膜转移到细胞质中。一旦进入体内，头部就会与局部蛋白质相互作用，刺激两种有毒物质的释放。这些致命的模块破坏细胞中基本蛋白质的活性，导致其死亡，并最终导致整个昆虫在中毒24小时内死亡。

新型有机杀虫剂

有趣的是，研究人员发现，尾巴的模块化结构和Mcf1中毒的初始步骤与艰难梭菌的毒素高度相似，艰难梭菌是一种人类病原体，每年在欧洲导致超过12万人住院。该研究的共同第一作者Philipp Heilen补充说:“我们的研究最初旨在改善生物农药，它也将对人类疾病的理解产生影响。”

展望未来，MPI的科学家们希望从分子上详细阐明Mcf1的有毒有效载荷是如何导致细胞死亡的。Stefan Raunser说:“这一新的知识也使高度特异性杀虫毒素的工程成为可能。”他暗示了另一个未来的研究方向:创造新的毒素变体，用于控制昆虫。