细菌生长奥秘：远缘细菌共有的蛋白质组分配策略与灵活酶动力学

本文聚焦于细菌生长过程中蛋白质组分配策略，通过研究大肠杆菌（Escherichia coli）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和纳豆芽孢杆菌（Vibrio natriegens）等物种发现，细菌依核糖体动力学饱和度分配蛋白质组，挑战了传统认知，为理解细菌进化和生态提供新视角。

　　

研究背景

细菌生长受多种因素调控，其中蛋白质组资源分配在应对不同环境条件和基因扰动时对细菌生长起着关键作用。当前，对蛋白质组分配的认知多基于对模式生物大肠杆菌的研究，但不同细菌在相同生长条件下生长速率差异很大，因此不同物种蛋白质组的比较存在困难。本研究旨在建立一种定量的种间蛋白质组比较方法，探究不同细菌的蛋白质组分配策略。

研究方法

研究选取了大肠杆菌、枯草芽孢杆菌和纳豆芽孢杆菌三种代表性细菌。通过构建菌株，采用 IPTG 诱导的lacZ报告系统用于后续翻译延伸率的测量。在培养过程中，经过种子培养、预培养和最终实验培养三个步骤，利用 Thermo Sci Genesys 50 分光光度计测量指数生长期的 OD₆₀₀数据点，以获取生长曲线并计算指数生长速率。同时，测量细菌的总 RNA 和蛋白质，翻译延伸率的测量基于经典的 LacZ 诱导测定法。蛋白质丰度则通过 4D 无标记方法在 timsTOF Pro 质谱系统上进行测量，并使用 MaxQuant 搜索引擎和 xTop v2.2 进行蛋白质定量。

研究结果

1. 快速生长细菌的蛋白质组分配限制：过去的研究表明，模式细菌如大肠杆菌和枯草芽孢杆菌在资源分配上有严格要求，核糖体的蛋白质组分配随生长速率线性增加。纳豆芽孢杆菌是生长最快的微生物之一，比大肠杆菌和枯草芽孢杆菌生长快 50% 以上。若按照传统认知，其核糖体分配应进一步增加，但这会挤压其他功能组的分配，因此需要探究其独特的蛋白质组分配策略。
2. 纳豆芽孢杆菌核糖体延伸更快，似温度升高效应：研究人员量化了三种生物在不同营养源下生长时的 RNA - 蛋白质（R/P）比率，发现每种物种的 R/P 比率与生长速率呈线性关系（R 线）。然而，纳豆芽孢杆菌的 R 线斜率降低，表明其在相同核糖体含量下比大肠杆菌和枯草芽孢杆菌生长更快，即翻译延伸率（ER）更快。进一步研究发现，纳豆芽孢杆菌的生长行为类似于大肠杆菌在温度升高时的反应，在不同温度下，三种物种的 R 线都会随着温度升高而变平。
3. 核糖体延伸率决定细胞生长速率：纳豆芽孢杆菌在生长行为上类似于在更高温度下生长的大肠杆菌或枯草芽孢杆菌，这种现象可以通过物种在给定温度下可达到的最快 ER（ε^?）来定量描述。研究发现，ε^?不仅决定了在丰富培养基中的生长动力学，还在其他营养条件下发挥作用。生长速率（λ^?）与 ε^?成正比，且 R 线的平坦度与相应的 ε^?成正比，这是一种超越系统发育关系的规律。
4. 生长速率与核糖体含量的系统发育超越关系：通过对不同营养条件下的研究发现，所有物种的 R/P 数据在以生长速率除以 ε^?进行缩放后会汇聚在一条线上，伸长率数据在归一化后也呈现类似的汇聚现象。这种数据汇聚表明，生长速率与核糖体饱和度（ε/ε^?）相关，反映了外部营养条件的内部指标，且不同物种遵循相同的规律，即 λ = ε^?·h(ε/ε^?)。
5. 跨物种比较蛋白质组学：利用定量质谱对三种细菌在五种营养条件和两种温度下的整个蛋白质组进行分析，发现同一物种在不同温度下生长时，单个蛋白质的丰度几乎不变，同源蛋白质在相同条件下的丰度也相似，但相似性受直系同源物鉴定的同源性程度影响。
6. 主要蛋白质功能组的系统发育超越分配：为克服直系同源物鉴定的不确定性，研究将蛋白质分配到 66 个功能组。结果发现，在不同营养条件下，三个物种主要蛋白质功能组（转录和翻译、氨基酸和核苷酸生物合成、中央碳代谢和能量生物发生）的丰度高度重叠，且与缩放后的生长速率相关，反映了基于核糖体饱和度的共同内部营养条件指标。在更精细的蛋白质分组水平上，也存在相似性，但不同物种间存在一些特定差异。
7. 个体途径在不同条件下的变化大于在不同物种间的变化：通过对关键蛋白质组的定量比较发现，不同物种在相同营养条件下的蛋白质组比同一物种在不同条件下的蛋白质组更相似。通过线性混合模型分析表明，蛋白质分配主要取决于营养条件，而非菌株本身，进一步支持了全球蛋白质分配模式。

研究讨论

本研究得出了一系列令人惊讶的发现。首先，细菌并非按照传统认为的生长速率来分配蛋白质组，而是依据核糖体动力学的饱和度这一共同内部指标，这表明存在一种保守的分配程序或 “蓝图”，尽管不同细菌在系统发育上距离遥远，但在代谢途径层面都遵循这一规律。其次，生长速率由核糖体的最大延伸率决定，而非蛋白质组分配的决定因素，不同细菌生长速率的差异意味着酶动力学的全球变化。本研究挑战了传统的进化动力学观念，表明细菌存在重要的适应性过程，既能调节酶动力学以适应环境，又能保持蛋白质组分配策略的保守性。未来对更多不同细菌的研究可能会揭示更多类似的 “蓝图”，有助于构建细菌物种的 “周期表”，为微生物生态学研究提供新视角。