Reverse diauxie phenotype in Pseudomonas aeruginosa biofilm revealed by exometabolomics and label-free proteomics

銅綠假單胞菌生物膜中通過外代謝組學(xué)和無標(biāo)記蛋白質(zhì)組學(xué)揭示的反向雙峰表型

來源：npj Biofilms and Microbiomes, volume 5, article number 31,2019

《npj 生物膜和微生物組》，第5卷，文章編號(hào)31，2019年

 

摘要：

這篇論文研究了銅綠假單胞菌在生物膜生長(zhǎng)過程中是否表現(xiàn)出反向雙峰表型，即優(yōu)先利用有機(jī)酸（如乳酸）而非葡萄糖的碳源代謝策略。通過結(jié)合外代謝組學(xué)和無標(biāo)記蛋白質(zhì)組學(xué)方法，分析了浮游和生物膜培養(yǎng)物，發(fā)現(xiàn)生物膜培養(yǎng)物也優(yōu)先消耗乳酸，并且不產(chǎn)生典型的乙酸溢出代謝。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解生物膜環(huán)境下的營(yíng)養(yǎng)和能量通量至關(guān)重要，有助于揭示生長(zhǎng)和毒力控制的機(jī)制。

 

研究目的：

研究目的是明確證實(shí)銅綠假單胞菌生物膜中是否存在反向雙峰表型，此前該表型僅在浮游培養(yǎng)物中被描述。通過外代謝組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)，填補(bǔ)生物膜代謝表型的知識(shí)空白，為理解生物膜在慢性傷口等環(huán)境中的適應(yīng)機(jī)制提供基礎(chǔ)。

 

研究思路：

研究思路是使用銅綠假單胞菌臨床分離株，在化學(xué)定義培養(yǎng)基（CSP和添加乳酸的LCSP）中培養(yǎng)浮游和生物膜樣本。通過外代謝組學(xué)（如HPLC和NMR）測(cè)量代謝物濃度變化，并通過無標(biāo)記蛋白質(zhì)組學(xué)（LC-MS/MS）分析蛋白質(zhì)豐度差異。比較不同培養(yǎng)條件下碳源消耗順序和蛋白質(zhì)表達(dá)，以驗(yàn)證反向雙峰現(xiàn)象在生物膜中的存在。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義：

1. 代謝物濃度數(shù)據(jù)：測(cè)量了葡萄糖、乳酸、乙酸和檸檬酸等碳源的濃度變化，來自圖1和圖2。研究意義是直接顯示碳源消耗順序，證實(shí)反向雙峰表型，即乳酸優(yōu)先于葡萄糖被利用，這有助于理解生物膜代謝策略與浮游狀態(tài)的差異。

 

 

2. 生物量數(shù)據(jù)：測(cè)量了培養(yǎng)物的生長(zhǎng)速率和倍增時(shí)間，來自表1。研究意義是顯示生物膜生長(zhǎng)較慢，可能與營(yíng)養(yǎng)擴(kuò)散限制相關(guān)，這突出了生物膜環(huán)境的獨(dú)特性，影響代謝通量計(jì)算。

 

3. 蛋白質(zhì)豐度數(shù)據(jù)：通過蛋白質(zhì)組學(xué)測(cè)量了關(guān)鍵酶和調(diào)節(jié)蛋白的豐度變化，來自圖4、表2和表3。研究意義是揭示代謝途徑的分子基礎(chǔ)，如乳酸脫氫酶（LldD）在乳酸存在下高表達(dá)，而葡萄糖代謝相關(guān)蛋白被抑制，這支持反向雙峰的調(diào)控機(jī)制，并識(shí)別出與生物膜形成相關(guān)的新蛋白。

 

 

 

4. 氧氣濃度數(shù)據(jù)：使用丹麥Unisense電極測(cè)量生物膜內(nèi)的氧氣梯度，來自圖3。研究意義是量化氧氣擴(kuò)散限制，顯示生物膜頂部有氧而底部缺氧，這解釋了反向雙峰在低氧環(huán)境下的可行性，并強(qiáng)調(diào)終端電子受體（如氧氣）在代謝中的關(guān)鍵作用。

 

 

結(jié)論：

論文得出結(jié)論，銅綠假單胞菌生物膜確實(shí)表現(xiàn)出反向雙峰表型，優(yōu)先消耗乳酸而非葡萄糖，且不產(chǎn)生乙酸溢出代謝。蛋白質(zhì)組學(xué)顯示生物膜通過上調(diào)特定酶（如乳酸脫氫酶和TCA循環(huán)酶）來適應(yīng)低氧環(huán)境。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了生物膜代謝的復(fù)雜性，為理解慢性傷口等實(shí)際應(yīng)用中的微生物行為提供了新見解。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義：

使用丹麥Unisense電極測(cè)量的氧氣梯度數(shù)據(jù)具有重要研究意義，它直接證實(shí)了生物膜內(nèi)部的氧氣擴(kuò)散限制，即頂部約150微米有氧而底部200微米缺氧。這種測(cè)量意義在于解釋了反向雙峰表型在生物膜中的可行性，因?yàn)榉聪螂p峰依賴于氧氣作為終端電子受體，而低氧環(huán)境通常不利于此類代謝。數(shù)據(jù)還支持了生物膜異質(zhì)性假說，表明代謝表型可能隨空間變化，這有助于優(yōu)化生物膜模型和開發(fā)針對(duì)慢性傷口感染的策略，其中氧氣限制常見。