大腸桿菌在低滲衝擊下的被動機械敏感性響應特徵:低滲衝擊之後大腸桿菌在初期體積快速膨脹後體積會緩慢的回覆，甚至可以下降至初始體積之下，揭示了機械敏感性門控通道MscL和MscS在細菌低滲衝擊響應中的重要作用。
2016年9月19日，國際知名學術期刊PNAS以長文在線發表了北京大學生物動態光學成像中心白凡課題組與英國愛丁堡大學Teuta Pilizota課題組的合作研究成果。在題為「Dynamics of Escherichia coli’s passive response to a sudden decrease in external osmolarity」的研究論文中，研究人員通過使用單細胞成像技術，觀察描述了大腸桿菌在低滲衝擊下的被動機械敏感性響應（passive mechanosensitive response）特徵，發現了低滲衝擊之後大腸桿菌在初期體積快速膨脹（秒的數量級）之後體積會緩慢的回覆（分鐘的數量級），甚至可以下降至初始體積之下。該論文在單細胞水平上揭示了機械敏感性門控通道MscL和MscS在低滲衝擊響應中的重要作用，並建立了一個數學模型來描述低滲衝擊後大腸桿菌體積變化及恢復的機制。這項研究對於理解細菌如何適應環境變化具有重要意義。
細菌在多變的滲透壓環境中依賴於機械感應調控而存活。針對細菌機械力感應和調控機制的研究對於理解細菌在複雜宿主和環境中的生存有著重要意義。因此，對於細菌機械力感應和機械敏感性通道的研究成為了一個熱點。機械敏感性通道在之前的體外研究中展現出其在細菌滲透脅迫響應的重要作用，但是體內研究較少，而且集中在針對細菌種群存活的研究上。
Teuta Pilizota實驗組和白凡實驗組在單細胞水平上觀察並描述了大腸桿菌對低滲衝擊的被動機械敏感性響應過程，發現了低滲衝擊響應的不同階段及其活動特徵。越強的低滲衝擊會導致越強的細胞膨脹，並且在野生型細胞中可能導致越強的過量體積恢復，而且這種特徵在滲透衝擊強度增加到一定程度時發生飽和。研究人員通過突變體比較分析和數學建模模擬，初步闡釋了MscL和MscS通道在低滲衝擊響應中的作用主要是在細胞膜壁張力達到閾值後，允許細胞內外的水和溶質順著其化學勢梯度發生遷移，同時細胞內液會順著機械壓強梯度向胞外遷移。機械敏感性門控通道的活動使得被動機械敏感性響應過程有著體積快速上升慢速下降的特點，同時在某些條件下會使得細胞體積在低滲衝擊響應過程中變得比初始體積更小。此外，研究人員還發現，在細胞體積降至初始體積之下後，體積的恢復過程可能與鉀離子的主動轉運有關。這項工作對於進一步研究細菌滲透壓調節以及細菌的脅迫響應具有重要的意義。
Dr. Teuta Pilizota和白凡研究員為該論文的共同通訊作者。愛丁堡大學合成及系統生物學中心研究生Renata Buda，北京大學生命科學院2011級本科生劉雲嘯（現為美國俄亥俄州立大學博士研究生）、楊津（現為美國威斯康辛大學麥迪遜校區博士研究生），以及愛丁堡大學合成及系統生物學中心研究生Smitha Hegde為該論文並列第一作者。本研究得到了國家自然科學基金，Biotechnology and Biological Sciences Research Council，Human Frontier Science Program以及Darwin Trust and Industrial Biotechnology Innovation Centre的支持。（來源：科學網）