神奇的小颗粒：胞外囊泡
有人在的地方就有江湖，这也同样适用于微生物。个体微生物无法掀起波澜，然而当它们在一起的时候，团队作战能力令人刮目相看。微生物之间通过复杂的互作作用形成群体，协同发挥功能。真实环境中，微生物细胞之间如何“对话”呢，他们有什么语言呢？除了明星分子-群体感应分子的化学通讯作用，胞外囊泡（extracellular vesicles, EVs）逐渐成为细胞众多“外交信使”中的黑马，成为环境微生物学研究的前沿。EVs是生物体分泌到胞外的纳米尺寸的膜泡。磷脂双分子层膜结构赋予了EVs快递行使功能的天赋，它像日常生活中的快递包裹一样能稳定、特异、高效地携带、保护和传递货物。这些货物包括蛋白质、脂质、核酸等。这些“幽灵”囊泡最初在原核生物中发现，后来，在真核生物中也发现了他们的踪迹。横跨动物、植物、微生物三界，这“幽灵”可真够狂的。
图1 来源于革兰氏阴性菌和阳性菌的胞外囊泡。OMVs: outer- membrane vesicles 外膜囊泡；OIMVs: outer- inner membrane vesicles 内外膜囊泡；EOMVs: explosive outer- membrane vesicles 爆炸性外膜囊泡；CMV: cytoplasmic membrane vesicles 细胞质膜囊泡。（文献：Toyofuku et al. Nature Reviews Microbiology, 2019）
胞外囊泡遍布我们身边
然而，在真实环境介质中这些“信使”EVs存在状况如何呢？针对这一挑战性的科学问题，中国科学院城市环境研究所朱永官院士团队黄乾生课题组开展了深入研究，他们分别在Environmental Science & Technology和国际细胞外囊泡协会会刊（Journal of Extracellular Vesicles）上发表了论文，揭开了环境胞外囊泡的冰山一角。
团队首先综合采用切向流过滤技术、密度梯度离心、透射电镜和纳米流式细胞术等技术手段，建立了环境样本中EVs分离、鉴定和表征平台。在这一自主创新平台上，他们进而以典型微生物生境，包括人类粪便、废水、城市土壤和室内灰尘为对象，系统性地揭示了EVs在环境中广泛存在。这些EVs具有典型的膜囊泡结构，平均粒径约为70 nm，只有头发丝直径的千分之一。EVs数量巨大，每克室内灰尘中数量甚至高达1011个颗粒，比全球人口总和还多一个数量级。EVs丰度与其来源样品中细菌丰度具有显著的相关性。
图2 环境介质中的胞外囊泡
该团队进而基于已有的环境抗性基因数据库数据，结合宏基因组测序技术追踪环境样品EVs的“发货人”，发现EVs主要来自于细菌，部分来自于真核生物和古菌。部分微生物虽然在样品中的相对丰度低，却可以产生远高于其自身相对丰度的EVs，从而可能发挥显著的作用。室内灰尘中相对高丰度的假单胞菌属EVs尤其值得关注。
图3. 水、土、灰尘、人类粪便介质中广泛存在微生物源细胞外囊泡
胞外囊泡百宝箱初探
环境样品EVs包裹中携带了来自各种微生物的DNA。通过数据对比，团队发现糖苷水解酶家族GH25基因在EVs中显著富集，研究已经发现该家族可在微生物群体之间移动，作为“公共资源”，赋予更多微生物利用糖源的能力。DNA货物中还包括定位于可移动遗传元件（MGEs）的细菌耐药基因（ARGs）等功能基因，可能是环境耐药基因传播的一种方式，而这种方式过去很少被认知。
图4 室内灰尘中的细胞外囊泡携带耐药基因
读懂微生物的胞外囊泡“语言”，保障人群健康
上述研究让我们认识到了“外交信使”EVs在真实环境的强大覆盖范围及其包裹中的多种功能基因“外交物资”。然而这仅是EVs包裹货物的一小部分，更多货物及其在微生物群体的功能中值得深入探索，才能更好地揭示微生物之间、微生物与环境、宿主之间的复杂互作网络，从而为发展病原体防控策略提供理论认知和技术开发支撑。
图5 胞外囊泡介导环境微生物与人体互作的概念图
研究获得国家自然科学基金委、国家基础学科公共科学数据中心、中国科学院网络安全和信息化专项应用示范项目和福建省科学技术厅的项目资助。
来源：中国科学院城市环境研究所
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