日本大学共同利用机关法人自然科学研究机构生命创成探究中心（ExCELLS）的Christian Ganser特任助教、西口茂孝特任研究员（现任大阪大学研究生院工学研究科特任助教）、名古屋大学研究生院理学研究科的Chan Feng-Yueh研究员、内桥贵之教授（兼任ExCELLS客员教授）组成的研究团队，全球首次成功开发出了一种能够在纳米尺度上测量活细菌膜动态力学性质的“高速在线力映射（HS-iFM）”新型显微镜技术。该技术成功揭示了大肠杆菌细胞膜的硬度在细胞分裂过程中发生的变化。相关研究成果已发表在《Science Advances》上。
图1：以高速在线力图与荧光显微术成像之大肠杆菌。表面形貌与弹性模量图之同步成像显示分裂位点发生硬化。（供图：名古屋大学）
细胞的硬度被认为会因药物作用或癌变而发生变化，因此希望开发出能以纳米级分辨率测量这些变化的显微镜技术。然而，光学显微镜观察微小结构的能力有限，而电子显微镜则无法观察活体生物样本。另一方面，原子力显微镜（AFM）可以高分辨率测量物质的力学特性，但既往AFM的成像速度较慢，难以适用于观察活细胞中发生的动态现象。
研究团队开发了一种结合了AFM高速化与力学特性测量的HS-iFM技术。该技术使得在分子水平上同时测量活细胞表面形状和力学特性成为可能。
研究团队利用HS-iFM技术以大肠杆菌为对象进行了观察，当细胞分裂进行时，分裂部位的膜明显比周围区域更加硬化。这种硬化被认为是由于局部膜张力和细胞壁厚度增加所致。特任助教甘塞尔表示：“通过对活细菌的观察，可以直接追踪细胞在生命活动过程中的变化情况。尽管目前对大肠杆菌的研究非常深入，但其在纳米尺度上的动态力学变化仍存在许多未解之谜。”
此外，研究团队还观察到，在细胞分裂过程中，连接2个子细胞的膜桥形成并最终断裂。膜桥的形成和断裂平均需要242秒，这一过程被观察到了7次。在分裂的细胞中，研究团队还观察到直径小于100纳米的软区，软区的破裂会导致细胞压力下降和死亡。由于分裂中的细胞尚未完全分离，一个子细胞的破裂还会导致相邻子细胞的压力下降。
此外，研究团队还观察到正在分裂的大肠杆菌细胞膜上的孔洞的形成、闭合和再形成。这种孔洞被认为与膜小泡（外膜小泡）的形成有关，在分裂过程中，新细胞壁附近的形成频率会增加。不过，观察到的孔洞直径（34.7纳米）大于既往报告的膜蛋白复合体直径（约8纳米），因此需要进一步的研究来揭示其具体机制。
HS-iFM技术具有推动多种生物样本研究的潜力。特任助教Ganser表示：“今后，我们希望研究抗生素等外部刺激对活细菌膜纳米力学特性的局部和动态影响。”
研究团队计划通过HS-iFM技术，进一步提高速度和分辨率，以期未来能够实现对单个蛋白质等微小分子力学特性的可视化观察。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Science Advances
论文：A look beyond topography: transient phenomena of Escherichia coli cell division captured with high-speed in-line force mapping
DOI：https://doi.org/10.1126/sciadv.ads3010
