导言
作为先天免疫系统（innate immune system）的子系统，补体系统蛋白（complement proteins） 通过在菌外膜打孔（membrane attack complex，MAC）来清除革兰氏阴性菌。不过这些MAC蛋白孔如何进一步破坏细胞壁和内膜结构，最终导致细菌溶胀、裂解、死亡，其细节仍有诸多不明。而来自伦敦大学学院的生物物理学教授Bart W Hoogenboom 与其团队， 使用多款来自布鲁克的原子力显微镜（NanoWizard，NanoWizard ULTRA Speed, Bioscope Resolve & Dimension FastScan），在纳米尺度上对这一过程进行了高分辨率下连续观测。
为了破坏革兰氏阴性菌的细胞包被以达到清除血液中细菌的目的，补体系统会通过5种蛋白C5-C9在菌细胞外膜上形成蛋白孔。大致过程如图一A所示，C5蛋白经过转换酶催化生成C5b，与C6-8 另外三种蛋白逐步吸附到细菌外膜（OM），并作为锚点与多份C9蛋白在外膜上形成突出状MAC孔结构。实验中对活的大肠杆菌添加C5-C9蛋白后，使用AFM即可观察到外膜上这些MAC蛋白孔（图一B ）。尽管此时细菌外膜上已有密密麻麻的穿孔（图一C），但环境中所添加的荧光染料并未进入细胞中，显示此刻细菌内膜仍然具有功能完整性（图一D）。
图一 细菌外膜尽管收到MAC孔的攻击，但仍能抵抗补体介导的细胞裂解
随着时间的推移，菌膜的结构被进一步破坏，如图二B所示，AFM相图中MAC单孔结构伴随着时间逐渐模糊，而高度图显示的表面粗糙度亦逐渐增大。与此伴随是在实验开始的35分钟后AFM所测量的细菌也具有了明显的荧光信号，显示细胞内膜的通透性已发生了明显变化。
图二 内膜渗透性增加与细菌表面不稳定性相关
而图三则展示了此过程膜结构变化的更多细节。图三C&D 显示在测试前2分钟和0分钟的时间点上，所测细胞的荧光信号。而图三B来自于对该细菌所进行的视频级AFM快扫数据，可注意到在截取的8个时间点上，除突出的MAC孔结构外，细胞表面的缺陷面积亦越来越大。
图三 补体作用导致细菌表面逐渐形成缺陷
随着细胞膜通透性的变化，在渗透压的驱动下，细菌开始发生明显的溶胀，正如图四A&B 中AFM高度图结果所展示的状况。在大量细胞外溶液涌入后，细菌胞体进一步硬化（图四C）。此渗透压失衡下的膨胀过程最终导致了细菌的裂解与死亡。
图四 补体作用导致细胞在溶解前发生溶胀和硬化
如图五所示，在革兰氏阴性活细菌中，外膜（顶部表面）和细胞壁（肽聚糖网络；绿色）一直承受着膨胀压力（红色和橙色箭头所示）。而外膜上的MAC（黄色）蛋白孔开始逐步破坏细胞壁和外膜结构的完整性，并在膨胀压力下使得外膜缺陷进一步恶化。而内膜（底部表面）在这个过程中被拉伸，导致渗透性增加，细胞最终裂解死亡。
图五 补体系统诱导细菌死亡机理
