![]()
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？2025年1月2日，清华大学刘锦涛团队在Nature Chemical Biology（IF=13）在线发表题为“Community-specific cell death sustains bacterial expansion under phosphorus starvation”的研究论文，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。
在这里，研究人员发现大肠杆菌生物膜可以在严重的磷限制下长时间保持稳定的扩张。生物膜内活性氧介导的细胞死亡支持了这种扩张。细胞死亡在空间上与生长区域分离，导致来自溶解细菌的磷的跨区域再循环。细胞死亡的增加和除磷后的稳定生长是群落特异性的，在浮游细菌中没有观察到。最后，磷在细胞死亡介导的营养再循环中具有独特的作用，因为上述现象在碳或氮饥饿下没有观察到。该工作揭示了细菌群落如何利用空间协调代谢来应对磷限制，这促进了细菌在波动环境中的强劲扩张。
许多细菌面临的一个共同挑战是营养可用性的变化。例如，肠道细菌经常在营养丰富的肠道和营养缺乏的外部环境之间穿行；病原菌在感染的不同阶段或从最初附着于其他器官的位置传播的过程中经历营养物质的转移。细菌进化出各种策略来应对营养限制。它们可以通过上调相应的转运蛋白来增加从环境中清除营养物质的能力；例如，大肠杆菌在葡萄糖或铵限制下分别增加转运蛋白PtsG或AmtB的表达。它们还可以通过减少非必需成分或活性来保存能量，例如将核糖体二聚化为静止形式，减少生物分子合成以及降低转录和翻译活性。
一些细菌利用了细胞水平异质性并进行更好的对冲；产酸克雷伯氏菌在铵限制下增加了部分群体的N2固定能力，解决了在最大化利用优选氮源(铵)和当铵耗尽时快速切换到N2固定之间的两难问题。另一个策略是从周围环境中回收资源；在枯草芽孢杆菌中，一些细胞甚至分泌毒素来溶解它们的同类，并利用释放的生物分子来延迟孢子的形成。上述例子说明了细菌如何在营养限制下生存。然而，细菌在这样的环境中能维持菌落扩张到什么程度还不清楚，这对于建立领地和与其他物种竞争很重要。细菌通常形成群落，这为进化群落水平的策略以应对环境波动提供了机会。大肠杆菌生物膜的扩展（图源自Nature Chemical Biology）该研究使用基于微流体的方法，监测了大肠杆菌生物膜群落对磷限制的反应。研究发现，即使在完全去除培养基中的磷之后，它们也表现出长时间的持续扩增。限制引发生物膜细胞外环境中磷脂的增加，磷脂被细菌循环利用以支持生物膜的扩展。生物膜内活性氧(ROS)介导的细胞死亡使磷的再循环成为可能，并且细胞死亡是浮游细菌中不存在的群落特异性行为。最后，磷在细胞死亡介导的营养再循环中具有独特的作用，因为上述现象在碳或氮饥饿下没有观察到。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。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41589-024-01796-x#Sec30
![]()
—END—
内容为【iNature】公众号原创，
转载请写明来源于【iNature】
微信加群
iNature汇集了4万名生命科学的研究人员及医生。我们组建了80个综合群（16个PI群及64个博士群），同时更具专业专门组建了相关专业群（植物，免疫，细胞，微生物，基因编辑，神经，化学，物理，心血管，肿瘤等群）。温馨提示：进群请备注一下（格式如学校+专业+姓名，如果是PI/教授，请注明是PI/教授，否则就直接默认为在读博士，谢谢）。可以先加小编微信号（love_iNature），或者是长按二维码，添加小编，之后再进相关的群，非诚勿扰。
![]()
![]()
投稿、合作、转载授权事宜
请联系微信ID：13701829856 或邮箱：iNature2020@163.com
觉得本文好看，请点这里！
