作为单细胞生物，细菌通常利用生物膜形成作为一种对抗环境压力的生存机制。生物膜是由细胞外聚合物物质包围的复杂细胞群落，它们受到环境线索和细胞信号分子的复杂调控。尽管人们已经对特殊的信号分子，如环鸟苷酸二磷酸（c-di-GMP）和群体感应分子给予了相当大的关注，作者的研究揭示了代谢中间体甲基赤藓糖醇环二磷酸（MEcPP）在破坏生物膜形成中一个未预见的调控作用，即通过减少菌毛的产生来释放对fimE转录的抑制。
甲基赤藓糖醇环二磷酸（MEcPP）是植物叶绿体和细菌中异戊二烯生物合成的中间体，并在植物中作为应激信号。作者探究了MEcPP调节大肠杆菌K-12 MG1655的生物膜形成。提高MEcPP水平，无论是由遗传还是氧化应激触发，都会抑制生物膜的生长。删除fimE（编码一种已知会下调粘性菌毛产生的蛋白）可以恢复MEcPP水平升高的细胞中的生物膜形成。
图1.大肠杆菌MEP途径简化图，展示MEcPP积累及其化学结构，通过抑制IspG活性或CRISPRi降低ispG表达实现。
作者将生物大肠杆菌暴露于紫苄酯 （BV），这是一种已知可诱导氧化应激的药理学试剂，目的是提高 MEcPP 水平。在含有不同浓度 BV 的 LB 培养基中培养大肠杆菌 MG1655，揭示了 MEcPP 水平和 BV 浓度之间的明显一致性。这种处理也减少了大肠杆菌的生长，在 50 μM BV 中尤其明显。
图2.MEcPP 水平与生物膜形成之间的反比关系。
作者测试了在室温下培养的 CRISPRi 菌株的生物膜产生，发现与 ctrl-d 相比，两种 ispg-1d/-2d 菌株的生物膜形成都显着减少，高 MEcPP 菌株的生长略有减少。尽管在两种 ispg-1d/-2d 菌株中观察到相似的生长减少，但与 ispg-1d 菌株相比，表现出略高 MEcPP 水平的 ispg-2d 菌株表现出更明显的生物膜的抑制。
图3. 在MEcPP 水平高的情况下，鉴定 fimE 突变体恢复生物膜形成效果。
与对照菌株相比，以 MEcPP 水平升高为特征的 ispg-2 菌株表现出显着较低的菌毛产生百分比。MEcPP 通过调节 fimE 介导的对菌毛产生的抑制有助于观察到的生物膜形成减少。
图 4. MEcPP 与 fimE 的转录抑制因子 H-NS 相互作用。
为了深入了解 MEcPP 在调节 1 型菌毛产生中的作用，作者使用有限蛋白水解耦合质谱 （LiP-MS） 研究了潜在的代谢物-蛋白质相互作用。
图5. MEcPP 去抑制 fimE 转录。
鉴于 MEcPP 与 H-NS 的相互作用，作者研究了其对 fimE 转录调控的影响。H-NS 通过与 fimE 的启动子结合而起到 fimE 的转录抑制因子的作用。
作者的研究揭示了 MEcPP 在调节大肠杆菌生物膜形成中的作用。升高 MEcPP 水平，无论是由基因操作还是氧化应激诱导，都会通过与 H-NS 的二聚化位点相互作用来破坏生物膜的形成，这对其基因沉默活性至关重要。这种相互作用导致 fimE 转录的去抑制，从而减少对生物膜形成至关重要的 1 型菌毛的产生。
近期，该研究成果以“An evolutionarily conserved metabolite inhibits biofilm formation in Escherichia coli K-12”为题发表于学术期刊《Nature Communications》，论文第一作者为Jingzhe Guo，通讯作者为加州大学的Katayoon Dehesh。
撰稿人：何晓东
审稿人：詹 淇
论文全文链接
https://doi.org/10.1038/s41467-024-54501-w
抗菌抗污材料前沿
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