武汉大学袁荃/余锂镭Nat. Commun.：微生物氧化还原通讯促进高附加值化学品的生物合成

导语

微生物-微生物通信可用于多重代谢任务分配，增强微生物体系的协调性，在生命进化过程中扮演了重要的作用。如何开发一种简单的通用性方法来构建微生物体系通信网络系统，用于微生物代谢行为的自协调和动态调控，依然面临巨大挑战。近日，武汉大学袁荃教授团队提出了一种基于电子传递的氧化还原通信策略，通过对体系中氧化还原动态信息的感知、分析和处理，实现微生物代谢过程的动态调控，提升微生物合成高效附加值产物的效率。相关研究成果在线发表于Nature Communications（DOI: 10.1038/s41467-023-42561-3）。

前沿科研成果

微生物氧化还原通讯促进高附加值化学品的生物合成

该研究基于微生物体系电子传递引发的Fe3+/Fe2+信号转化，建立了一个包含希瓦氏菌“路由器”、光学纳米探针“验证器”以及沼泽红细菌“致动器”的微生物循环通信网络模型，通过对体系中氧化还原动态信息的感知、分析和处理，实现微生物代谢过程的动态调控，提升微生物合成高效附加值产物的效率。具体的来说，在该通信网络模型中，希瓦氏菌“路由器”细胞可通过金属还原Mtr代谢通路，感知Fe3+氧化还原信号，通过胞外电子传递机制将Fe3+转化为Fe2+信号，引发氧化还原信号转化。沼泽红“致动器”可接收Fe2+信号的电子，具有将Fe2+转化为Fe3+以及合成番茄红素的双重致动功能。此外，高时空分辨率的光学探针“验证器”也被引入到模型中，可实现对该模型中Fe3+/Fe2+氧化还原信号波动进行实时动态监测分析。

图1. 基于电子转移的氧化还原信号驱动的生物局域网（图片来源：Nat. Commun.）

通过对体系中微生物进行16sRNA基因测序，研究发现氧化还原循环过程的引入使得微生物体系的能量代谢相关基因丰度下降，而生长代谢相关的功能酶基因丰度有所上升，说明氧化还原循环过程的引入降低了体系中的能量代谢，增强了生长代谢。这可能是由于这种电子交叉喂养的资源交换方式可为微生物提供关键还原力物质或者能量物质，节省了微生物代谢所需要的代谢能量和代谢成本，进而增强了相关生化和生理功能，促进微生物生长。研究还发现在引入氧化还原循环过程体系NADPH/NADP+、NADH/NAD+以及ATP均远高于未引入氧化还原循环过程的值。结果表明，氧化还原循环过程的引入可以有效提高还原力物质与能量物质浓度水平。此外，测序结果显示，在具有氧化还原循环体系，沼泽红比例升高的速率要高于没有氧化还原循环的体系。以上结果说明氧化还原循环通信网络可协调微生物代谢。

图2. 氧化还原通讯对微生物代谢行为的影响（图片来源：Nat. Commun.）

利用转录组学技术对氧化还原通讯过程如何影响两种细菌中基因表达的情况进行了分析。研究发现，氧化还原通讯过程的引入，可以促进具有电子传递功能的蛋白，包括菌毛蛋白、鞭毛蛋白、细胞色素c以及核黄素基因在希瓦氏“路由器”和沼泽红“致动器”两种细菌中的表达。此外，研究还发现，氧化还原通讯过程的引入，使得沼泽红“致动器”中还原型物质NAD(P)H相关基因的表达量整体提升，说明氧化还原循环通信网络的引入可以增强还原型物质相关代谢基因的表达。研究认为，氧化还原循环通信网络体系可通过影响电子传递蛋白以及关键还原型物质代谢相关基因，影响相关蛋白功能，进而实现对微生物代谢行为的调控。

图3. 氧化还原通讯影响希瓦式菌和沼泽红细菌中相关基因的表达（图片来源：Nat. Commun.）

通过加入电子传递穿梭体、抑制剂等，研究了电子传递过程对沼泽红“致动器”生物合成效率的影响。研究发现，沼泽红生物合成番茄红素的效率与电子传递过程密切相关，电子传递过程的促进或者抑制可增强或者降低沼泽红“致动器”生物合成效率。通过流式细胞术对沼泽红“致动器”进行分选，利用检测试剂盒对沼泽红“致动器”中关键还原性物质NADH/NAD+以及NADPH/NADP+进行了定量分析。发现引入了氧化还原循环通信网络体系，沼泽红“致动器”体内NADH/NAD+以及NADPH/NADP+的含量均有所上升。上述结果可能是沼泽红“致动器”接收电子后，提升了体内还原型物质含量所导致的。结果表明，氧化还原循环通信网络体系可通过电子定向运输方式，提高沼泽红“致动器”体内还原性物质含量，为甲羟戊酸(MVA)代谢途径以及2-甲基-D-赤藻糖醇-4-磷酸（MEP）代谢途径的生物合成等过程提供关键还原力，进而提高番茄红素生物合成效率。

图4. 生物局域网中微生物的代谢行为（图片来源：Nat. Commun.）

混菌体系通过结合细菌各自不同的优势进行协同分工合作，可实现更高的预期，在提高生物合成效率等领域引起了广大科研工作者的关注。研究人员进一步研究了氧化还原通信对希瓦氏-硫还原地杆菌-沼泽红三菌体系的影响。与希瓦氏菌一样，硫还原地杆菌也是一种铁还原菌，同样可以将Fe3+氧化还原信号转换为Fe2+。希瓦氏和硫还原地杆菌可作为“双频路由器”，根据两者各自的代谢状态用于Fe2+信号的输出，防止“网络不稳定”以及“掉线”情况的发生。研究发现，氧化还原循环通信网络的引入同样可调控三菌体系微生物代谢。氧化还原通讯网络中电子被源源不断运输给沼泽红“致动器”，提高合成代谢过程中关键还原性物质含量，进而提高三菌体系中沼泽红细菌CO2固定以及番茄红素生物合成效率。

图5. 氧化还原通讯对三菌体系代谢行为的影响（图片来源：Nat. Commun.）

该研究工作通讯作者为武汉大学的袁荃教授和余锂镭教授，武汉大学2019级博士研究生陈娜以及2020级博士研究生杜娜为该论文的第一作者。上述研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中央高校基本科研业务费以及武汉大学人民医院交叉创新人才项目的资助。

邀稿

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