细菌共培养系统中代谢行为的适应性重塑与生长条件特异性调控

这篇研究通过构建两种细菌共培养系统（Pseudomonas aeruginosa/Escherichia coli和Lacticaseibacillus rhamnosus/Bacteroides thetaiotaomicron），揭示了特定生长条件（如静态培养、淀粉培养基）如何促进稳定共培养的形成，并利用RNA测序（RNA-seq）技术发现共培养诱导的代谢基因表达重编程（如ATP合成酶、糖酵解途径）是细菌适应群落生活的关键机制。研究为理解微生物互作（cross-feeding）和生态位分配（niche partitioning）提供了实验范式，对合成微生物组（synthetic microbiota）设计具有启示意义。

　　

细菌共培养系统的代谢行为重塑

研究通过两种细菌配对系统（P. aeruginosa/E. coli和L. rhamnosus/B. thetaiotaomicron），首次证明静态培养和淀粉培养基分别作为关键环境因子，能够维持共培养的长期稳定性。在LB培养基的静态条件下，P. aeruginosa通过上调F₁F₀ ATP合成酶（log₂FC >1）和保留呼吸链活性，而E. coli则下调这些通路，形成代谢互补。淀粉培养基中，B. thetaiotaomicron通过激活多糖利用基因（如糖苷水解酶）与L. rhamnosus共存，而葡萄糖培养基则导致其被竞争排除。

基因表达谱揭示代谢策略分化

RNA-seq分析显示，共培养触发物种特异性转录响应：

• P. aeruginosa/E. coli系统：E. coli在静态条件下显著下调呼吸相关基因（如nuo复合体，P<0.05），同时上调生物膜形成基因（如fimC）；而P. aeruginosa的代谢响应较弱，暗示其微需氧适应性优势。
• B. thetaiotaomicron/L. rhamnosus系统：淀粉环境中，B. thetaiotaomicron上调核糖体蛋白基因（如rps系列，log₂FC 1.5-2.5）并伴随细胞长度增加（P=6.3×10^?8），表明资源效率优化；而L. rhamnosus则下调糖酵解基因（如pfkA）。

生理适应与竞争平衡

在厌氧条件下，E. coli完全取代P. aeruginosa，而在微需氧环境中两者达到平衡，证实氧气梯度决定竞争结局。B. thetaiotaomicron的淀粉依赖性共培养成功与其转录灵活性相关——葡萄糖环境中仅5%的基因响应（vs. 淀粉环境30%），且缺乏关键代谢调整。

翻译机器的动态调控

所有研究物种均表现出翻译相关基因（如tRNA合成酶、rRNA结合蛋白）的差异表达。B. thetaiotaomicron在共培养中核糖体基因上调40%，但生长速率未变（ANOVA P=0.16），提示其通过增大细胞体积（1.5倍，P<0.01）实现资源再分配，而非加速增殖。

研究工具与生态启示

团队开发的R包"GO_cluster"通过聚类分析（75%基因重叠阈值）实现了跨物种GO术语比较。该工作提出"条件依赖性适应"模型：仅当环境参数（如碳源、氧气）允许细菌启动转录重塑时，才能形成稳定共培养。这一发现为设计合成微生物群落（如肠道菌群干预）提供了理论基础。