细菌在营养匮乏的环境中如何生存是微生物学领域的一个基本问题。浮游态细菌常通过提高营养转运能力、降低非必需活动等方式提高存活。群体状态的细菌是否有更好的生存策略？
北京时间2025年1月2日18时，清华大学基础医学院刘锦涛课题组在Nature Chemical Biology杂志上发表了题为”Community-specific cell death sustains bacterial expansion under phosphorus starvation”（群体特异性细胞死亡维持细菌在磷饥饿下的扩张）的论文。
该研究发现，细菌在磷供给缺乏时触发群体特异性死亡，并通过回收含磷分子以维持群体扩张，展现了一种独特的适应机制。
研究者以大肠杆菌生物被膜为研究模型，发现环境中的磷供给缺乏时，生物被膜仍然能够维持长时间的扩张。研究者通过代谢组学的方法发现，磷供给缺乏导致生物被膜中的胞外磷脂水平显著增加。进一步的研究发现这些磷脂来自活性氧介导的细菌死亡。生物被膜通过回收死亡细菌所释放出的磷以维持持续性的扩张。
与磷缺乏所不同的是，面对碳、氮供给缺乏时，生物被膜很快停止扩张。其中，碳缺乏导致生物被膜整体的死亡，因而不能持续扩张；氮缺乏不会导致显著死亡，生物被膜同样无法持续扩张。磷缺乏所诱导的细胞死亡主要集中在生物被膜的内部区域，因此生物被膜外部区域的细菌能够利用内部死细胞释放出的含磷分子维持扩张。这体现了生物被膜通过空间分化优化资源利用的能力。有趣的是，研究者发现该现象为细菌群体所特有。浮游态细菌并未在磷供给缺乏时出现死亡，胞外磷脂水平也未出现显著增加。
图1：细菌群体应对营养缺乏时的响应
该研究首次揭示了细菌生物被膜在磷缺乏时通过群体特异性细胞死亡和营养回收实现群体存续和扩展。该机制赋予细菌群体对环境波动的高度适应性，展现了微生物强大的生态竞争力。该发现为深入理解细菌的代谢适应性及其在自然和临床环境中的行为提供了新视角。
清华大学2017级医学实验班（八年制）学生王梓俨、基础医学院2017级博士生曾令斌、2019级博士生胡守先为该论文的共同第一作者。
相关论文信息：
https://www.nature.com/articles/s41589-024-01796-x
编辑 | 余 荷
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