Nature | 細菌如何在不同環境中調整生長速率？

撰文 | 十一月

責編 | 兮

趨利避害是生物體的本能反應，當生物面對環境變化的時候如何在生長和生長延遲之間進行抉擇和平衡對於生物的適應性非常關鍵。細胞生長速度對細菌的適應性至關重要並且會驅動細菌對資源的分配，影響代謝和生物合成蛋白的表達水平。但是目前為止，細菌是如何在不同環境中調整生長速率的還不得而知。

為了解決這一問題。近日，哈佛大學醫學院Markus Basan研究組、蘇黎世分子系統生物學研究所Uwe Sauer研究組與加州大學聖地牙哥分校Terence Hwa研究組合作發文題為A universal trade-off between growth and lag in fluctuating environments，發現在更換大腸桿菌培養基的碳源之後大腸桿菌通過穩定生長速率與生理適應性之間的權衡來確保細胞的「利益最大化」，並且作者們發現這種權衡在不同的微生物中廣泛存在。

為了對細胞生長速率與適應性之間的關係進行研究，作者們將野生型大腸桿菌在兩種不同碳源的基本培養基中進行轉移（圖1）。大腸桿菌的生理適應速率是用生長遲滯時間的倒數（Inverse of the 『lag time』）來衡量的（圖1）。作者們使用的培養基轉移的方式可以非常迅速的達到環境變化被稱為「完全轉移」，可以確保在轉移後的培養基中沒有轉移前基本培養基中所包含的碳源（圖1）。

圖1 大腸桿菌在環境波動情況下的生長曲線以及本文中使用的培養基轉移實驗方法

首先，作者們通過從不同的糖酵解碳源例如葡萄糖到糖異生碳源例如醋酸鹽的轉移來了解環境中碳源的波動對於大腸桿菌適應性的影響。通過對遲滯時間和生長速率的測量作者們發現轉移前培養基中大腸桿菌的生長速率與遲滯時間之間存在明顯的相關性：快速生長的細胞需要更長的時間來適應新的培養基而生長速度較慢的細胞則能夠更快的適應新的環境。如果將糖酵解碳源改成乳糖後依然會獲得相似的結論，這說明轉移前的生長速率與遲滯時間的相關性依賴於碳源的流量速率（Carbon influx rate）而非碳源的種類。根據這些數據，作者們得到了一個轉移前生長速率與遲滯時間之間的函數（圖2）：

遲滯時間Tlag隨著轉移前生長率λpre的增長而增長，α是一個無量綱比例係數。為了進一步確認此函數是否正確，作者們對144種轉移情況的遲滯時間進行檢測，發現所有的這些培養基轉移都會使得轉移前生長速率與遲滯時間的倒數存在相似的線性關係。

作者們想知道遲滯時間與轉移前生長速率之間的相關性是否是由於代謝過程的限制（Metabolic limitation）引起的，因此對葡萄糖到醋酸鹽的碳源培養基轉移後遲滯時期的代謝產物池進行了定量檢測。通過比較代謝產物池和通量的動態與穩態水平在葡萄糖和醋酸的指數增長，作者們推斷在轉移後大腸桿菌中出現了代謝瓶頸。通過13C標記的動態過程，作者們發現三羧酸循環代謝產物迅速變成13C標記，但是即使是在轉移後30min也很難檢測到較高的糖異生代謝產物。代謝動力學的結果說明糖異生通量限制糖酵解中間產物生物質組分的合成。在培養基轉移為醋酸鹽後，葡糖異生通量對生物質生產和酶的合成至關重要。在轉移之後，細胞被困在糖異生通量瓶頸限制胺基酸合成的狀態，通過加入三種芳香族胺基酸到轉移後的培養集中，作者們發現遲滯時間降低了50%左右，即使這些胺基酸單獨存在並不會支持細胞生長【1】。

糖異生通量是糖異生酶遲滯期重新生產所需的胺基酸合成的瓶頸，糖異生通量由糖異生作用較低和較高水平範圍內的代謝產物濃度決定，而糖異生作用中糖異生酶水平又決定了代謝物濃度。因此，作者們建立了另外一個函數對此進行描述（圖3）。進一步地，為了直接檢測遲滯時間的倒數與較低的糖異生酶含量之間的線性關係，作者們使用從葡萄糖到丙酮酸的培養基轉變，低糖異生反應只涉及一個單一的葡糖異生酶磷酸烯醇丙酮酸合成酶(PpsA)。作者們構建了一個PpsA表達線性可滴定的菌株，作者們發現使用該菌株在僅在培養基轉移前充分誘導PpsA不足以克服遲滯期，但是在培養基轉移前誘導可以大大縮短遲滯時間。這些結果顯示在糖酵解條件下表達糖異生酶對縮短遲滯時間的重要性。

圖3 遲滯時間的倒數與糖異生酶含量之間的線性關係

在該工作中，作者們發現對於糖酵解引發的細胞快速生長，酶的分布更有利於糖酵解而不是相反的糖異生，因此糖異生的較低代謝產物是糖酵解培養基轉移後遲滯時間較長的原因。轉移前生長速率與遲滯時間的函數以量化的形式說明微生物的生長和適應過程之間存在一個權衡。這種權衡的存在幫助微生物縮短環境波動適應時間，細胞選擇較慢的生長速率可能是更有利的。因為當初級糖酵解產物耗盡時候，細胞可以轉向糖異生作用。該工作對於細胞適應性產生的闡明將會幫助我們更好地理解微生物表型的多樣性。

圖4 微生物在生長速率與適應性的權衡模式圖

原文連結：

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

製版人：老翅膀

參考文獻

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