微生物是地球上無所不在的微小生物體，包括細菌、真菌、病毒等。它們存在於土壤、水體、空氣中，甚至存在於我們自己的身體內。儘管微生物在日常生活中經常被忽視，但科學研究已充分證實了它們在地球生態系統中的重要性。事實上，微生物可說是維持地球上所有動植物生存和健康所不可或缺的元素。
從人類和環境的角度來看，微生物對我們有著重要的用處。首先，它們在環境中進行重要的生態功能，如分解有機物質、循環營養元素、促進土壤肥沃度等。此外，微生物還可以產生抗生素和其他有益物質，用於醫療和藥物開發，幫助對抗病原菌和其他疾病。然而，有些微生物也可能對人類和其他生物產生負面影響，引起感染和疾病，對我們的健康造成威脅。因此，科學家致力於深入研究這些病原菌，以了解它們引起疾病的機制、感染途徑等重要資訊。透過瞭解病原菌的致病機制，可以開發更有效的預防、診斷和治療策略，以保護動植物的健康。
在植物病原菌中，農桿菌是一個引人注目的研究對象。它廣泛存在於土壤和植物根部等環境中，與多種植物有著緊密的相互作用。農桿菌是一種植物病原菌，可經由植物傷口感染形成腫瘤般的腫塊或者毛根，而它也具有獨特的跨界水平基因轉移能力，可以將外源DNA片段引入植物細胞，引起遺傳改變。這使得農桿菌成為基因工程和研究基因功能的重要工具。許多病原細菌具有特殊的蛋白質分泌系統，增進其致病能力或生存優勢。農桿菌利用第四型分泌系統（T4SS）負責運輸蛋白質及DNA片段至植物細胞，而另一個分泌系統，第六型分泌系統（T6SS）則會運送毒素蛋白質以殺死或抑制競爭者的生長，從而增進農桿菌在棲息地或寄主植物中獲得生存優勢。因此，研究農桿菌的分泌系統的功能、調控機制及演化過程，有助提高植物基因轉殖效率，進一步推動農業發展，亦能為相關藥物的研發提供重要依據，控制植物及動物的細菌病原菌感染。
農桿菌身懷不同的武器，在面對不同的環境和接觸對象則會啟動不同的因應策略。當面對敵軍時會聯合盟軍一起啟動第六型分泌系統（T6SS）殺菌武器來捍衛自己族群的生存空間，遇到合適的植物宿主時則趕快製造致病蛋白質，合力運送轉移DNA，經由第四型分泌系統（T4SS）通道運送到植物細胞內，誘導植物產生腫瘤供其居住繁殖。
（此圖及圖說源自中研院訊2020年11月的漫步科研科普專欄【遺傳工程師：農桿菌的競爭與致病機制】，為本院國際研究生院-分子與生物農業學程吳宇博士候選人繪製）
中央研究院植物暨微生物學研究所賴爾珉博士研究室進行了關於農桿菌T6SS研究。先前研究發現農桿菌會分泌一種名為Tde（type VI DNase effectors）的DNA分解酶蛋白質，利用T6SS將Tde注射到所接觸到的其他細菌競爭對手的細胞內，從而分解競爭對手的DNA，確保自身在植物宿主內的生存優勢。過去許多研究室也發現了許多不同種類的T6SS效應蛋白質，其作用範圍相當廣泛，包含細胞膜、胞間質與細胞質等位置。然而，關於效應蛋白質如何進入目標細胞的過程仍有許多尚未清楚之處。
近期，賴爾珉博士研究室以農桿菌C58菌株的Tde1為研究材料，探討效應蛋白質進入目標細胞的機制，研究結果顯示Tde1的N端甘胺酸拉鍊序列在將效應蛋白質傳送到目標細胞中扮演重要作用。
Tde1的N端具有一個跨膜區域，並且與一個甘胺酸拉鍊序列重疊，該序列是由重複的GxxxG甘胺酸排列構成。當Tde1大量表達時，細胞的通透性會增加，然而，如果將Tde1的G39和G43位置的甘胺酸進行突變，則不會出現這種現象。透過遺傳和生化分析以及顯微鏡觀察，研究人員發現G39和G43位置的突變不會影響Tde1的分泌，也不會影響Tde1的酵素活性。然而，透過將Tde1標記為綠色螢光蛋白以螢光顯微鏡觀察Tde1是否運送至目標細胞，則發現G39和G43位置的突變珠無法被運送到目標細胞中，同樣地，在競爭試驗中，這些突變珠失去了對目標細胞的毒殺能力，證明G39xxxG43甘胺酸拉鍊序列對於Tde1進入目標細胞具有關鍵作用。
由於甘胺酸拉鍊序列不僅存在於穿孔毒素，還廣泛存在於其他細菌的效應蛋白質中，這意味著甘胺酸拉鍊序列可能是許多細菌毒素為了跨越目標細胞的細胞膜進入細胞質而發展的常見策略。此外，研究人員還開發了一種用於觀測效應蛋白質之遞送方法，有助於未來效應蛋白質之研究，此新穎的蛋白質運輸策略亦提供取代傳統利用DNA在目標細胞中異源表現蛋白質的代替方法。
（此圖源自研究論文Ali et al., EMBO Reports (2023)24:e56849）
步驟一：Tde1效應蛋白質與Tdi1免疫蛋白質和Tap1伴護蛋白質在攻擊者細胞內形成複合物。
步驟二：這個複合物與一種名為VgrG的鞘蛋白質結合，並被裝載到鑲嵌在細胞膜上的基板。
步驟三：這個攜帶著Tde1的基板，開始形成管狀的伸縮裝置。
步驟四：管狀裝置收縮後，將Tde1發射進入目標細胞內
步驟五：Tde1 N端的甘胺酸拉鍊序列使目標細胞的細胞膜變得滲透性。
步驟六：一旦進入目標細胞，Tde1就會開始攻擊細胞內的DNA，導致DNA分解。
參考文獻：
Jemal Ali, Manda Yu, Li-Kang Sung, Yee-Wai Cheung, Erh-Min Lai*
A glycine zipper motif is required for the translocation of a T6SS toxic effector into target cells. EMBO reports. (2023) 24:e56849
https://doi.org/10.15252/embr.202356849