Nature | 细菌如何在不同环境中调整生长速率？

原创十一月 BioArt

撰文 | 十一月

责编 | 兮

趋利避害是生物体的本能反应，当生物面对环境变化的时候如何在生长和生长延迟之间进行抉择和平衡对于生物的适应性非常关键。细胞生长速度对细菌的适应性至关重要并且会驱动细菌对资源的分配，影响代谢和生物合成蛋白的表达水平。但是目前为止，细菌是如何在不同环境中调整生长速率的还不得而知。

为了解决这一问题。近日，哈佛大学医学院Markus Basan研究组、苏黎世分子系统生物学研究所Uwe Sauer研究组与加州大学圣地亚哥分校Terence Hwa研究组合作发文题为A universal trade-off between growth and lag in fluctuating environments，发现在更换大肠杆菌培养基的碳源之后大肠杆菌通过稳定生长速率与生理适应性之间的权衡来确保细胞的“利益最大化”，并且作者们发现这种权衡在不同的微生物中广泛存在。

为了对细胞生长速率与适应性之间的关系进行研究，作者们将野生型大肠杆菌在两种不同碳源的基本培养基中进行转移（图1）。大肠杆菌的生理适应速率是用生长迟滞时间的倒数（Inverse of the ‘lag time’）来衡量的（图1）。作者们使用的培养基转移的方式可以非常迅速的达到环境变化被称为“完全转移”，可以确保在转移后的培养基中没有转移前基本培养基中所包含的碳源（图1）。

图1 大肠杆菌在环境波动情况下的生长曲线以及本文中使用的培养基转移实验方法

首先，作者们通过从不同的糖酵解碳源例如葡萄糖到糖异生碳源例如醋酸盐的转移来了解环境中碳源的波动对于大肠杆菌适应性的影响。通过对迟滞时间和生长速率的测量作者们发现转移前培养基中大肠杆菌的生长速率与迟滞时间之间存在明显的相关性：快速生长的细胞需要更长的时间来适应新的培养基而生长速度较慢的细胞则能够更快的适应新的环境。如果将糖酵解碳源改成乳糖后依然会获得相似的结论，这说明转移前的生长速率与迟滞时间的相关性依赖于碳源的流量速率（Carbon influx rate）而非碳源的种类。根据这些数据，作者们得到了一个转移前生长速率与迟滞时间之间的函数（图2）：

迟滞时间Tlag随着转移前生长率λpre的增长而增长，α是一个无量纲比例系数。为了进一步确认此函数是否正确，作者们对144种转移情况的迟滞时间进行检测，发现所有的这些培养基转移都会使得转移前生长速率与迟滞时间的倒数存在相似的线性关系。

作者们想知道迟滞时间与转移前生长速率之间的相关性是否是由于代谢过程的限制（Metabolic limitation）引起的，因此对葡萄糖到醋酸盐的碳源培养基转移后迟滞时期的代谢产物池进行了定量检测。通过比较代谢产物池和通量的动态与稳态水平在葡萄糖和醋酸的指数增长，作者们推断在转移后大肠杆菌中出现了代谢瓶颈。通过13C标记的动态过程，作者们发现三羧酸循环代谢产物迅速变成13C标记，但是即使是在转移后30min也很难检测到较高的糖异生代谢产物。代谢动力学的结果说明糖异生通量限制糖酵解中间产物生物质组分的合成。在培养基转移为醋酸盐后，葡糖异生通量对生物质生产和酶的合成至关重要。在转移之后，细胞被困在糖异生通量瓶颈限制氨基酸合成的状态，通过加入三种芳香族氨基酸到转移后的培养集中，作者们发现迟滞时间降低了50%左右，即使这些氨基酸单独存在并不会支持细胞生长【1】。

糖异生通量是糖异生酶迟滞期重新生产所需的氨基酸合成的瓶颈，糖异生通量由糖异生作用较低和较高水平范围内的代谢产物浓度决定，而糖异生作用中糖异生酶水平又决定了代谢物浓度。因此，作者们建立了另外一个函数对此进行描述（图3）。进一步地，为了直接检测迟滞时间的倒数与较低的糖异生酶含量之间的线性关系，作者们使用从葡萄糖到丙酮酸的培养基转变，低糖异生反应只涉及一个单一的葡糖异生酶磷酸烯醇丙酮酸合成酶(PpsA)。作者们构建了一个PpsA表达线性可滴定的菌株，作者们发现使用该菌株在仅在培养基转移前充分诱导PpsA不足以克服迟滞期，但是在培养基转移前诱导可以大大缩短迟滞时间。这些结果显示在糖酵解条件下表达糖异生酶对缩短迟滞时间的重要性。

图3 迟滞时间的倒数与糖异生酶含量之间的线性关系

在该工作中，作者们发现对于糖酵解引发的细胞快速生长，酶的分布更有利于糖酵解而不是相反的糖异生，因此糖异生的较低代谢产物是糖酵解培养基转移后迟滞时间较长的原因。转移前生长速率与迟滞时间的函数以量化的形式说明微生物的生长和适应过程之间存在一个权衡。这种权衡的存在帮助微生物缩短环境波动适应时间，细胞选择较慢的生长速率可能是更有利的。因为当初级糖酵解产物耗尽时候，细胞可以转向糖异生作用。该工作对于细胞适应性产生的阐明将会帮助我们更好地理解微生物表型的多样性。

图4 微生物在生长速率与适应性的权衡模式图

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2505-4

制版人：老翅膀

参考文献

1.You, C. et al. Coordination of bacterial proteome with metabolism bycyclic AMP signalling. Nature 500, 301-306, doi:10.1038/nature12446(2013).

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