细菌芽孢的形成是许多微生物物种中常见且特征明确的生存策略。芽孢是被保护层包裹的部分脱水的细胞，可以在极端环境中存活并保持休眠多年。它们需要对环境波动具有鲁棒性，以避免过早退出休眠状态（发芽）。同时，如果芽孢检测到有利的条件，它们就需要发芽。发芽需要芽孢的再水合，这通过释放钙-吡啶二羧酸 (CaDPA) 来促进。除了在芽孢形成后立即降解 RNA 外，休眠芽孢似乎没有可测量的代谢或生物活性。因此，休眠体究竟是如何以动态的方式对其环境做出反应，从而承诺在适当的时间恢复生物活动和生长的呢？鉴于此，加州大学圣地亚哥分校Gürol M. Süel等人测试了休眠的枯草芽孢杆菌芽孢是否会响应不触发萌发的微妙环境信号而发生任何生理变化。研究结果表明，枯草芽孢杆菌芽孢从休眠状态中退出可以通过电化学状态转换来解释，类似于神经元使用的转换。
如示意图所示，随着时间的推移，枯草芽孢杆菌芽孢暴露于发芽刺激物会激活发芽受体，从而导致钾离子(K+) 通过被动通道流出。一旦内膜电位达到临界阈值，芽孢状态就会切换，开始发芽和生长。这就相当于每个芽孢都有一个电化学的闹钟，来提醒他们该什么时候醒来！
图|发芽决策
进入芽孢形成和随后退出休眠，称为发芽，都是不可逆转的发育决定。然而，与芽孢形成不同的是，发芽的开始必须在没有翻译、基因表达重编程和三磷酸腺苷 (ATP) 合成的情况下发生。枯草芽孢杆菌芽孢含有高浓度的Ca2+-吡啶二羧酸（CaDPA），这有助于极低的水分含量和代谢活性，以及核酸的稳定储存。芽孢 DNA 本身也被多层蛋白质和肽聚糖表面所包围，这些表面严重限制了分子进出芽孢的通道。因此，发芽偏离了支持信号转导途径的传统机制。尽管存在这些偏差，但恢复代谢活动需要相对较少的大分子。内膜中的发芽受体对小分子信号或发芽剂作出反应，包括特定的 D-糖、L-氨基酸或肽聚糖片段。接下来，这些发芽受体被认为会引发单价阳离子穿过内膜的运动，随后将CaDPA 释放到芽孢外。此后，CaDPA 被水分子取代以开始补液，这是恢复代谢活动和生物合成的必要步骤。然而，目前尚不清楚单价阳离子的运动如何激活 CaDPA 的释放。为此，基于神经生物学的基本原理，该课题组研究了在没有细胞能量的情况下电化学势允许芽孢整合发芽信号的假设。通过应用数学框架来了解休眠芽孢膜上钾离子 (K+) 浓度差异的电化学贡献，作者证明了当芽孢反复和短暂地暴露于发芽刺激时电化学电位的逐步变化；然后，当达到阈值电位后，开始发芽。这种激活机制让人想起以前应用于神经元的“Integrate-and-fire（整合和激发）”激活模型。
Integrate-and-fire描述了神经元动作电位的模型，即小的初步输入被整合，直到它们达到一个阈值，该阈值是以全有或全无的方式 "激发 "动作电位所需的值。这种膜电位可以通过 Hodgkin-Huxley 框架建模，该框架将电导推导出为神经元中电压门控钠离子和钾离子通道的个体贡献的总和。鉴于膜作为生物电容器存储电能的普遍能力，研究人员能够从 Hodgkin-Huxley 框架开发一个模型，用于从芽孢中特异性和非特异性钾通道的电导贡献中获得K+通量。
图|休眠芽孢表现出其电化学电位的突然变化，可视化发芽脉冲的整合该研究提供的证据表明，“Integrate-and-fire”模型支持退出休眠的承诺。休眠芽孢中的初始 K+浓度和因暴露于刺激而产生的外排决定了脱离休眠的途径。该描述为发芽记忆和自发发芽现象提供了机制解释。然而，目前尚不清楚各种发芽受体如何转导发芽剂的结合以激活钾外流通道。同样，目前尚不清楚内膜电化学电位的变化如何有助于恢复发芽芽孢的完全代谢活动或细菌种群的萌发变异性。事实上，在该课题组提出的模型中，初始K+浓度和K+外流率的内在变化可能是缓冲营养丰度波动中错误的发芽决定的机制。例如，所谓的超级休眠芽孢的极长寿命是否可以追溯到它们最初的K+浓度？未来研究源自不同类群的芽孢的发芽行为可能会为了解环境条件如何决定发芽阈值提供有用的见解。当涉及大分子动力学的生物反应不可行时，例如对于代谢活性可忽略不计的芽孢，通过电化学电位的快速信号传递提供了可靠的解决方案。正如跨界模型为发芽的激活步骤带来了洞察力一样，关于发芽的其余问题的答案可能会受益于跨生命之树衍生的模型。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
