模拟微重力环境下大肠杆菌REL606的膜应激适应机制与基因组进化研究

本研究探讨了模拟微重力(SμG)对大肠杆菌REL606基因表达和基因组进化的影响。研究人员通过转录组学和长期培养实验发现，SμG在葡萄糖限制条件下激活应激响应通路（如rpoS调控的GSR）和生物膜形成相关基因，并筛选出elyC和mraZ/fruR等独特突变，揭示了微重力环境下细菌膜通透性和细胞分裂的适应性演化。该成果为空间微生物行为预测及生物再生生命支持系统(BLiSS)设计提供了理论基础。

　　

论文解读

随着人类太空探索活动的深入，理解微生物在微重力环境下的行为演变成为保障航天器安全运行和宇航员健康的关键科学问题。既往研究表明，太空环境会通过改变流体对流、质量传递等物理条件，间接影响细菌的代谢、生物膜形成和抗生素耐药性等表型。然而，这些研究多聚焦于短期暴露效应，缺乏对微生物长期适应机制的系统解析。更值得注意的是，国际空间站(ISS)的微生物监测数据显示，肠杆菌科等潜在致病菌的种群密度会随时间推移显著上升，但受限于样本来源的复杂性，无法区分环境选择压力与初始种群差异的影响。

为解决这一科学盲区，来自NASA肯尼迪航天中心等机构的研究团队以经典模式生物大肠杆菌REL606为研究对象——该菌株作为Lenski长期进化实验(LTEE)的起始菌株，具有明确的遗传背景和丰富的进化参照数据。通过结合模拟微重力培养系统（旋转壁容器RWV）与多组学分析，研究人员首次揭示了微重力胁迫下细菌从转录调控到基因组进化的全链条适应机制。相关成果发表于《BMC Microbiology》，为预测空间微生物演化轨迹和设计闭环生态系统(BLiSS)提供了分子层面的理论依据。

关键技术方法

研究采用高纵横比容器(HARV)构建模拟微重力(SμG)、旋转(R)和静态(S)三组培养体系，分别在葡萄糖限制(DM25)和充足(DM2000)培养基中进行24小时短期转录组分析（RNA-seq）及28天长期进化实验（每日传代约6.64代）。通过NASA GeneLab标准化流程进行基因差异表达分析（DESeq2），并对进化终点菌株进行全基因组测序（breseq突变检测）。关键创新点在于：① 严格匹配空间站环境温度（25°C）；② 采用无甘油的冻存方案避免代谢干扰；③ 设置双重力对照组（R和S）以区分旋转效应与微重力特异性响应。

研究结果

1. E.coli REL606生长动态不受模拟微重力影响
通过CFU计数验证，SμG条件下细菌在DM25和DM2000培养基中的最终细胞密度（分别约4×10⁸
和2×10⁹
CFU/mL）与对照组无显著差异（图2A-B），这与早期太空实验中非运动型大肠杆菌的表型一致，否定了微重力会普遍加速增殖的假说。

2. 葡萄糖限制条件下应激响应通路特异性激活
转录组分析显示，DM25培养基中SμG培养4.5小时(T1)时，rpoS调控的通用应激响应(GSR)基因（如osmB、gadE）显著富集（p<4.09×10^-7
），而DM2000组未见此现象（图3D-G）。基因本体(GO)分析进一步揭示，SμG特异性上调了生物膜形成（bssR调控）、细胞聚集和脂代谢相关通路（图4A），暗示营养匮乏会放大微重力诱导的膜应激。

3. 长期进化筛选出膜结构相关突变
28天连续培养后，SμG组在葡萄糖限制条件下独特性积累了两个关键突变：① elyC基因13bp缺失（导致ECA磷壁酸合成异常）；② mraZ/fruR间隔区SNP（影响肽聚糖合成调控）（图5B）。值得注意的是，elyC突变在LTEE的15,000代前极少出现，提示其可能是微重力特有的适应性变异。

结论与意义

该研究首次通过对照实验证明：

1. 营养可用性决定微重力响应强度——葡萄糖匮乏会协同增强SμG诱导的GSR通路激活和生物膜形成倾向；
2. 进化轨迹具有环境特异性——elyC突变可能通过改变膜通透性屏障（如ECA合成）帮助细菌适应低剪切力环境；
3. 方法学创新——建立的HARV-RWV体系为未来空间微生物进化研究提供了标准化平台。

这些发现不仅解释了ISS微生物组中肠杆菌科富集现象的潜在机制，更为载人航天任务中的微生物风险管控（如BLiSS系统设计）提供了关键分子靶点。后续研究可结合真实空间飞行实验，验证elyC突变体在微重力下的竞争优势及其对人类健康的影响。