細菌芽孢的形成是許多微生物物種中常見且特征明確的生存策略。芽孢是被保護層包裹的部分脫水的細胞，可以在極端環境中存活并保持休眠多年。它們需要對環境波動具有魯棒性，以避免過早退出休眠狀態（發芽）。同時，如果芽孢檢測到有利的條件，它們就需要發芽。發芽需要芽孢的再水合，這通過釋放鈣-吡啶二羧酸 (CaDPA) 來促進。除了在芽孢形成后立即降解 RNA 外，休眠芽孢似乎沒有可測量的代謝或生物活性。因此，休眠體究竟是如何以動態的方式對其環境做出反應，從而承諾在適當的時間恢復生物活動和生長的呢？鑒于此，加州大學圣地亞哥分校Gürol M. Süel等人測試了休眠的枯草芽孢桿菌芽孢是否會響應不觸發萌發的微妙環境信號而發生任何生理變化。研究結果表明，枯草芽孢桿菌芽孢從休眠狀態中退出可以通過電化學狀態轉換來解釋，類似于神經元使用的轉換。
如示意圖所示，隨著時間的推移，枯草芽孢桿菌芽孢暴露于發芽刺激物會激活發芽受體，從而導致鉀離子(K+) 通過被動通道流出。一旦內膜電位達到臨界閾值，芽孢狀態就會切換，開始發芽和生長。這就相當于每個芽孢都有一個電化學的鬧鐘，來提醒他們該什么時候醒來！
圖|發芽決策
進入芽孢形成和隨后退出休眠，稱為發芽，都是不可逆轉的發育決定。然而，與芽孢形成不同的是，發芽的開始必須在沒有翻譯、基因表達重編程和三磷酸腺苷 (ATP) 合成的情況下發生。枯草芽孢桿菌芽孢含有高濃度的Ca2+-吡啶二羧酸（CaDPA），這有助于極低的水分含量和代謝活性，以及核酸的穩定儲存。芽孢 DNA 本身也被多層蛋白質和肽聚糖表面所包圍，這些表面嚴重限制了分子進出芽孢的通道。因此，發芽偏離了支持信號轉導途徑的傳統機制。盡管存在這些偏差，但恢復代謝活動需要相對較少的大分子。內膜中的發芽受體對小分子信號或發芽劑作出反應，包括特定的 D-糖、L-氨基酸或肽聚糖片段。接下來，這些發芽受體被認為會引發單價陽離子穿過內膜的運動，隨后將CaDPA 釋放到芽孢外。此后，CaDPA 被水分子取代以開始補液，這是恢復代謝活動和生物合成的必要步驟。然而，目前尚不清楚單價陽離子的運動如何激活 CaDPA 的釋放。為此，基于神經生物學的基本原理，該課題組研究了在沒有細胞能量的情況下電化學勢允許芽孢整合發芽信號的假設。通過應用數學框架來了解休眠芽孢膜上鉀離子 (K+) 濃度差異的電化學貢獻，作者證明了當芽孢反復和短暫地暴露于發芽刺激時電化學電位的逐步變化；然后，當達到閾值電位后，開始發芽。這種激活機制讓人想起以前應用于神經元的“Integrate-and-fire（整合和激發）”激活模型。
Integrate-and-fire描述了神經元動作電位的模型，即小的初步輸入被整合，直到它們達到一個閾值，該閾值是以全有或全無的方式 "激發 "動作電位所需的值。這種膜電位可以通過 Hodgkin-Huxley 框架建模，該框架將電導推導出為神經元中電壓門控鈉離子和鉀離子通道的個體貢獻的總和。鑒于膜作為生物電容器存儲電能的普遍能力，研究人員能夠從 Hodgkin-Huxley 框架開發一個模型，用于從芽孢中特異性和非特異性鉀通道的電導貢獻中獲得K+通量。
圖|休眠芽孢表現出其電化學電位的突然變化，可視化發芽脈沖的整合該研究提供的證據表明，“Integrate-and-fire”模型支持退出休眠的承諾。休眠芽孢中的初始 K+濃度和因暴露于刺激而產生的外排決定了脫離休眠的途徑。該描述為發芽記憶和自發發芽現象提供了機制解釋。然而，目前尚不清楚各種發芽受體如何轉導發芽劑的結合以激活鉀外流通道。同樣，目前尚不清楚內膜電化學電位的變化如何有助于恢復發芽芽孢的完全代謝活動或細菌種群的萌發變異性。事實上，在該課題組提出的模型中，初始K+濃度和K+外流率的內在變化可能是緩沖營養豐度波動中錯誤的發芽決定的機制。例如，所謂的超級休眠芽孢的極長壽命是否可以追溯到它們最初的K+濃度？未來研究源自不同類群的芽孢的發芽行為可能會為了解環境條件如何決定發芽閾值提供有用的見解。當涉及大分子動力學的生物反應不可行時，例如對于代謝活性可忽略不計的芽孢，通過電化學電位的快速信號傳遞提供了可靠的解決方案。正如跨界模型為發芽的激活步驟帶來了洞察力一樣，關于發芽的其余問題的答案可能會受益于跨生命之樹衍生的模型。1.K. Kikuchi et al., Electrochemical potential enables dormant spores to integrate environmental signals. Science 378, 43 (2022).DOI: 10.1126/science.abl7484https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl74842. An electric alarm clock for spores. Science 2022.https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade3921
