自交联“孢丝”纤维促进内孢子与Cry毒素的聚集

让绿色杀虫剂更牢靠的黏性线

世界各地的农民与公共卫生工作者已将土壤细菌Bacillus thuringiensis（Bt）视为一种“绿色”杀虫剂，它能在不伤害人类、野生动物与授粉者的情况下控制害虫。本研究揭示了某一重要Bt菌株的额外本领：它能纺出一种极其坚韧的蛋白质“孢丝”，将耐久的孢子和毒素晶体捆绑成具感染性的团块。理解这些天然胶状纤维有助于我们设计更安全、更高效的生物农药，从而减少对剧烈化学喷洒的依赖。

需要更好包装的天然昆虫杀手

Bt通过在其生命周期中产生两种关键成分来杀死昆虫幼虫（如蚊子和蛾类的幼虫）：在环境中存活的坚韧孢子，以及被称为寄生囊体的结晶毒素包。当幼虫同时吞入两者时，晶体在肠道中溶解，破坏肠壁并允许细菌入侵，导致败血症与死亡。然而，孢子与毒素晶体是细胞外的独立颗粒，理论上会在水或土中分散开来。为了实现高效感染，细菌需要一种将有害孢子与其毒性载荷捆在一起的方式。对于以稀薄水体为生的嗜蚊菌株B. thuringiensis subsp. israelensis（Bti）而言，这一问题尤为突出。

在孢子周围发现隐藏的纤维网

作者用光学与电子显微镜观察Bti的孢子制剂，发现孢子与毒素晶体并非独立分散。相反，它们聚成密集的微群落，被一种看似纤细但无处不在的细丝网包裹。更高分辨率的成像显示，这些直径仅约8纳米的纤维从孢子与毒素囊的表面延伸，将它们编织成三维团块。即便在能溶解毒素晶体的强碱性条件下，空的毒素囊仍被该网缠绕。这表明这些纤维充当系绳，将有毒货物保持靠近孢子，使两者在感染时一并被摄入。

纺出超坚韧的分子绳

借助高分辨率冷冻电子显微镜，研究组解析了这些纤维的三维结构并追溯到一种他们称之为A-ENA的小蛋白。大量A-ENA分子以平行螺旋排列堆叠，并扭结成双股绳。在原子水平上，每个蛋白亚基可与相邻分子形成多达十个共价键，称为异肽键。这些内部交联将整条纤维有效焊接成连续的肽链，使其对热、强酸、强碱和洗涤剂具有极高的抵抗力。引人注目的是，当在普通E. coli细菌中表达A-ENA蛋白时，它无需任何辅助酶便能自发组装成相同的纤维，说明其自组装与自交联的能力已写入其序列。

从纤维网到更强效的生物农药

研究者接着探究这些孢丝纤维对细菌有何好处。通过敲除Bti中的A-ENA基因，他们得到一种缺乏纤维基质的菌株。没有A-ENA，孢子与毒素晶体不再形成蓬松、低密度的团块，而是分离成更重的单个颗粒。暴露于该突变株的幼虫比暴露于正常Bti的幼虫存活时间更长，表明杀伤力降低。随后，研究组转向一种广泛使用的作物生物农药菌株B. thuringiensis subsp. kurstaki（Btk），该菌株天然缺失A-ENA。当他们让Btk表达A-ENA或将实验室制备的纯化A-ENA纤维简单混入时，孢子与毒素晶体便重新聚集，制剂对菜夜蛾幼虫的致死性显著提高。重要的是，单独的纤维在没有孢子和毒素的情况下并不对昆虫有毒。

这些胶状纤维有多普遍？

通过扫描数千个细菌基因组，作者发现类似A-ENA的蛋白分布在更广泛的Bacillus与Clostridium群体中，且在携带昆虫毒素基因的菌株中显著富集。在某些细菌中，A-ENA模块与类胶原和类C1q结构域融合，这些结构域已知可介导与宿主表面的结合。这提示类似纤维不仅可能将孢子与毒素颗粒粘合在一起，还可能帮助孢子附着于昆虫组织或其他环境目标。尽管这些更广泛的功能尚待实验验证，但基因分布模式指向了一类用于粘附与聚集的多功能分子支架家族。

这对未来害虫防控意味着什么

简而言之，这项工作表明Bti不仅仅将孢子与毒素释放到环境中；它通过一种异常耐久的蛋白质网将它们打包在一起，从而使杀伤因子保持靠近感染性颗粒。这种包装在水环境中尤为重要——在那里孢子与毒素否则可能会分散开来。由于A-ENA纤维可重组生产并加入Bt制剂而无需对农药菌株进行基因改造，它为增强现有生物农药提供了一条实用途径。长期来看，这类天然的“分子胶”有望通过提升靶向生物防治剂的效力与稳定性，减少对广谱化学杀虫剂的依赖。

引用: Sleutel, M., Sogues, A. & Remaut, H. Auto-crosslinking sporesilk fibers promote endospore and Cry toxin clustering. Nat Commun 17, 3809 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70495-z

关键词: 苏云金芽孢杆菌, 生物农药, 蛋白质纳米纤维, 昆虫幼虫防控, 孢子–毒素聚集