细菌生物膜是微生物适应复杂环境的重要生存形式，不仅为细菌群体提供保护和支撑，还参与群体协作与胞外电子传递等过程。近年来，以冷冻电子断层成像（cryo-ET）为代表的原位结构生物学快速发展，为在接近天然状态下直接表征复杂生物体系提供了有力手段。Shewanella oneidensis MR-1因具有突出的金属还原和胞外电子传递能力，在环境修复、生物能源和微生物电化学等领域展现出重要应用潜力。然而，对于该菌生物膜中关键组分在天然状态下的组织排列方式及其精细分子结构，目前仍缺乏系统认识。

近日，中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心刘聪团队与上海交通大学代彬团队及上海交通大学曹骎团队合作在Nature Communications发表题为“Ultrastructural and atomic characterization of biofilm-associated extracellular filaments in Shewanella oneidensis MR-1”的研究论文。该研究结合cryo-ET和冷冻电子显微镜（cryo-EM），对S. oneidensis MR-1生物膜组分进行原位和近原子分辨率结构表征，揭示了其生物膜相关的纤维网络、膜囊泡和多聚颗粒的空间分布及结构特征。

研究团队将S. oneidensis MR-1培养形成生物膜，并进行原位快速冷冻后开展电镜观察，从而最大程度保留其天然结构状态。通过cryo-ET，研究人员在完整生物膜中直接观察到细菌周围分布着丰富的纤维、膜囊泡及规则多聚颗粒，获得了生物膜的三维原位结构信息（图1）。

图1：S. oneidensis MR-1生物膜的原位cryo-ET表征

在此基础上，研究团队进一步利用高分辨率cryo-EM对生物膜中的纤维组分进行分类和结构解析。结果表明，S. oneidensis MR-1生物膜中主要存在鞭毛以及PilA pili和MshA pili两类IV型菌毛。研究团队分别解析了这三类纤维的近原子分辨率结构（约3.2 Å、3.4 Å和3.6 Å）。结构分析显示，PilA和MshA虽同属于IV型菌毛，但其表面性质存在明显差异。MshA pili呈现正负电荷交替分布，并具有更大的溶剂可及表面积，可能更有利于其与其他纤维、胞外DNA、蛋白质或多糖等基质成分相互作用，从而促进生物膜中纤维束和三维网络的形成（图2）。

图2：S. oneidensis MR-1生物膜中主要纤维的结构与表面特征

此外，研究团队通过cryo-ET在原位生物膜中观察到膜囊泡及多种规则多聚颗粒。通过基于深度学习的三维分割结合子断层平均，研究团队发现这些颗粒包含三聚体、四聚体和八聚体等不同形态。进一步比较有氧和缺氧条件下的生物膜结构发现，缺氧条件显著增加了6 nm纤维和方形聚集体的丰度，并诱导出现新的非周期性纤维类型，提示氧气限制会重塑S. oneidensis MR-1生物膜组成（图3）。

图3：缺氧条件下S. oneidensis MR-1生物膜中组分的变化

该研究将cryo-ET原位观察生物膜结构与cryo-EM解析生物膜中纤维原子结构相结合，得到了S. oneidensis MR-1生物膜的多尺度结构信息。相关发现为理解S. oneidensis MR-1生物膜的结构组织方式和功能分工提供了新的依据，也为后续理性改造S. oneidensis MR-1生物膜、提升微生物燃料电池和环境修复效率提供了结构基础。

本研究由中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心刘聪研究员、上海交通大学代彬副教授和上海交通大学曹骎副教授担任共同通讯作者。中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心博士后李丹妮和博士研究生董辉为共同第一作者。本研究得到国家自然科学基金、中国科学院及上海市相关科研计划的资助。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-72442-4