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導言
作為先天免疫系統（innate immune system）的子系統，補體系統蛋白（complement proteins） 通過在菌外膜打孔（membrane attack complex，MAC）來清除革蘭氏陰性菌。不過這些MAC蛋白孔如何進一步破壞細胞壁和內膜結構，最終導致細菌溶脹、裂解、死亡，其細節仍有諸多不明。而來自倫敦大學學院的生物物理學教授Bart W Hoogenboom 與其團隊， 使用多款來自布魯克的原子力顯微鏡（NanoWizard，NanoWizard ULTRA Speed, Bioscope Resolve & Dimension FastScan），在納米尺度上對這一過程進行了高分辨率下連續觀測。
為了破壞革蘭氏陰性菌的細胞包被以達到清除血液中細菌的目的，補體系統會通過5種蛋白C5-C9在菌細胞外膜上形成蛋白孔。大致過程如圖一A所示，C5蛋白經過轉換酶催化生成C5b，與C6-8 另外三種蛋白逐步吸附到細菌外膜（OM），并作為錨點與多份C9蛋白在外膜上形成突出狀MAC孔結構。實驗中對活的大腸桿菌添加C5-C9蛋白后，使用AFM即可觀察到外膜上這些MAC蛋白孔（圖一B ）。盡管此時細菌外膜上已有密密麻麻的穿孔（圖一C），但環境中所添加的熒光染料并未進入細胞中，顯示此刻細菌內膜仍然具有功能完整性（圖一D）。
圖一 細菌外膜盡管收到MAC孔的攻擊，但仍能抵抗補體介導的細胞裂解
隨著時間的推移，菌膜的結構被進一步破壞，如圖二B所示，AFM相圖中MAC單孔結構伴隨著時間逐漸模糊，而高度圖顯示的表面粗糙度亦逐漸增大。與此伴隨是在實驗開始的35分鐘后AFM所測量的細菌也具有了明顯的熒光信號，顯示細胞內膜的通透性已發生了明顯變化。
圖二 內膜滲透性增加與細菌表面不穩定性相關
而圖三則展示了此過程膜結構變化的更多細節。圖三C&D 顯示在測試前2分鐘和0分鐘的時間點上，所測細胞的熒光信號。而圖三B來自于對該細菌所進行的視頻級AFM快掃數據，可注意到在截取的8個時間點上，除突出的MAC孔結構外，細胞表面的缺陷面積亦越來越大。
圖三 補體作用導致細菌表面逐漸形成缺陷
隨著細胞膜通透性的變化，在滲透壓的驅動下，細菌開始發生明顯的溶脹，正如圖四A&B 中AFM高度圖結果所展示的狀況。在大量細胞外溶液涌入后，細菌胞體進一步硬化（圖四C）。此滲透壓失衡下的膨脹過程最終導致了細菌的裂解與死亡。
圖四 補體作用導致細胞在溶解前發生溶脹和硬化
如圖五所示，在革蘭氏陰性活細菌中，外膜（頂部表面）和細胞壁（肽聚糖網絡；綠色）一直承受著膨脹壓力（紅色和橙色箭頭所示）。而外膜上的MAC（黃色）蛋白孔開始逐步破壞細胞壁和外膜結構的完整性，并在膨脹壓力下使得外膜缺陷進一步惡化。而內膜（底部表面）在這個過程中被拉伸，導致滲透性增加，細胞最終裂解死亡。
圖五 補體系統誘導細菌死亡機理
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