清華新聞網(wǎng)1月3日電 細(xì)菌在營(yíng)養(yǎng)匱乏的環(huán)境中如何生存是微生物學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)基本問題。浮游態(tài)細(xì)菌常通過提高營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)能力、降低非必需活動(dòng)等方式提高存活。群體狀態(tài)的細(xì)菌是否有更好的生存策略？
1月2日，清華大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院劉錦濤課題組在《自然·化學(xué)生物學(xué)》（Nature Chemical Biology）雜志上發(fā)表了題為”群體特異性細(xì)胞死亡維持細(xì)菌在磷饑餓下的擴(kuò)張”（Community-specific cell death sustains bacterial expansion under phosphorus starvation）的論文。研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌在磷供給缺乏時(shí)觸發(fā)群體特異性死亡的現(xiàn)象，并通過回收含磷分子以維持群體擴(kuò)張，展現(xiàn)了一種獨(dú)特的適應(yīng)機(jī)制。
研究人員以大腸桿菌生物被膜為研究模型，發(fā)現(xiàn)環(huán)境中的磷供給缺乏時(shí)，生物被膜仍然能夠維持長(zhǎng)時(shí)間的擴(kuò)張。通過代謝組學(xué)的方法發(fā)現(xiàn)，磷供給缺乏導(dǎo)致生物被膜中的胞外磷脂水平顯著增加。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這些磷脂來自活性氧介導(dǎo)的細(xì)菌死亡。生物被膜通過回收死亡細(xì)菌所釋放出的磷以維持持續(xù)性的擴(kuò)張。
與磷缺乏所不同的是，面對(duì)碳、氮供給缺乏時(shí)，生物被膜很快停止擴(kuò)張。其中，碳缺乏導(dǎo)致生物被膜整體的死亡，因而不能持續(xù)擴(kuò)張；氮缺乏不會(huì)導(dǎo)致顯著死亡，生物被膜同樣無法持續(xù)擴(kuò)張。磷缺乏所誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡主要集中在生物被膜的內(nèi)部區(qū)域，因此生物被膜外部區(qū)域的細(xì)菌能夠利用內(nèi)部死細(xì)胞釋放出的含磷分子維持?jǐn)U張。這體現(xiàn)了生物被膜通過空間分化優(yōu)化資源利用的能力。有趣的是，研究人員發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象為細(xì)菌群體所特有。浮游態(tài)細(xì)菌并未在磷供給缺乏時(shí)出現(xiàn)死亡，胞外磷脂水平也未出現(xiàn)顯著增加。
細(xì)菌群體應(yīng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)缺乏時(shí)的響應(yīng)
研究首次揭示了細(xì)菌生物被膜在磷缺乏時(shí)通過群體特異性細(xì)胞死亡和營(yíng)養(yǎng)回收實(shí)現(xiàn)群體存續(xù)和擴(kuò)展。該機(jī)制賦予細(xì)菌群體對(duì)環(huán)境波動(dòng)的高度適應(yīng)性，展現(xiàn)了微生物強(qiáng)大的生態(tài)競(jìng)爭(zhēng)力，為深入理解細(xì)菌的代謝適應(yīng)性及其在自然和臨床環(huán)境中的行為提供了新視角。
清華大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院副教授劉錦濤為論文通訊作者。清華大學(xué)2017級(jí)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)班（八年制）學(xué)生王梓儼、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院2017級(jí)博士生曾令斌、2019級(jí)博士生胡守先為論文共同第一作者。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41589-024-01796-x
供稿：基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
