病原菌一旦進入宿主體內，就會啟動一系列的防御和攻擊機制，從而擴散、侵入和定殖更深層次的組織和器官。這包括分泌一系列破壞宿主細胞防御的有毒蛋白質。在革蘭氏陰性細菌中，可以引發嚴重感染，并且對抗生素的耐藥性越來越強，有毒蛋白質面臨著跨越多個細胞屏障(屬于細菌和宿主)以最終到達目的地的挑戰。為此，細菌發展出了許多專門的分泌系統。有些可以分泌多種毒素，幾乎存在于所有細菌中，而另一些則僅在少數細菌中被發現。許多較小毒素的分泌機制已經建立。對于較大的細菌來說，情況并非如此，例如臭名昭??著的耶爾森氏菌產生的 Tc 毒素，其中還包括引起鼠疫和結核病的病原體。“幾十年來，巨大的锝毒素如何到達最終目的地一直是個謎。通過在之前的電子冷凍顯微鏡研究中獲得 Tc 毒素的第一個 3D 結構，我們已經可以弄清楚它如何使用類似注射器的注射機制繞過最后一道屏障(宿主膜)。現在，我們能夠完成這幅圖畫，并展示這些毒素如何以一種真正令人驚嘆的方式克服細菌內部與其環境之間的三個障礙，”Stefan Raunser 說。

爆炸細菌

在最近的工作中，Raunser 和他的團隊應用了多種尖端技術組合來研究昆蟲病原體耶爾森氏菌 ( YenTc) 產生的 Tc 毒素 YenTc 的分泌，這對于這種細菌物種的感染至關重要。最大的挑戰是初步確定細菌使用哪種已知的分泌機制來達到此目的。為此，科學家們利用靶向基因組編輯技術逐一敲除所有可疑的分泌系統。當沒有一種敲除方法能夠阻止毒素的釋放時，同樣的技術被用來修改毒素，以便可以觀察到它的分泌——這次成功了。該研究的第一作者奧列格·西澤爾 (Oleg Sitsel) 表示：“看到一些細菌真正爆炸并釋放毒素，真是令人恍然大悟。” 經過仔細的蛋白質組學分析，最終發現了負責毒素釋放的 pH 敏感型 10 型分泌系統，這是最近剛剛建立的一類蛋白質輸出機制。隨后的冷凍電子斷層掃描分析顯示了該分泌系統如何通過先前未知的溶解作用模式輸出細胞內容物的逐步細節，該作用模式克服了革蘭氏陰性細菌周圍的三個障礙。

成為士兵細胞

科學家們發現，只有一小部分特殊的細菌細胞會產生并輸出毒素，并付出最終的代價，即死亡。但是，是什么導致這些被作者稱為“士兵細胞”的細胞首先擴大并產生含有 YenTc 的致命毒素混合物，然后為了戰友的利益而自殺呢?科學家們首先確定，士兵細胞的出現取決于溫度、營養和細胞密度。然后，他們發現了一種對溫度敏感的基因開關，可以使毒素的產生與分泌系統的產生同步，并將“正常”細胞變成它們的士兵兄弟。毒素的大量產生與細胞尺寸的增大相結合，確保了為了細菌群體的更大利益而只需要犧牲少數個體，這是一種極其有效的策略。

“我們懷疑正常細胞在攝入昆蟲宿主營養物質后會變成士兵細胞。毒素的分泌對 pH 值敏感，這會延遲其釋放，直到士兵細胞到達堿性后中腸，這是它們的主要活動區域，”Raunser 說。

“這種分泌策略是獨特且非凡的。這些細菌的行為表現出分化和利他主義等特征，這讓人想起真社會系統。如果這被證明是一種更常見的機制，我們可能會暴露細菌的弱點：專門針對士兵細胞可能成為對抗病原菌的一種有前途的醫學策略，特別是在抗生素耐藥性不斷增強的時期。”勞恩瑟。