高密度培养下大肠杆菌的生存策略：抗性与持久性之间的资源权衡机制

这篇研究通过整合实验与计算生物学方法，首次系统解析了大肠杆菌（Escherichia coli）在高细胞密度（50–80 gcell dry weight L?1 ）培养中的转录调控动态。研究揭示了代谢负担如何通过资源重分配触发抗性（RpoS介导）与持久性（MarA/SoxS介导）的分子权衡，为优化工业菌株抗逆性和理解感染微环境提供了新视角。

　　

摘要

研究首次采用系统生物学方法解析大肠杆菌在高细胞密度（>50 g_{cell dry weight}
L^?1
）下的生理适应机制。通过知识驱动的机器学习分析470+转录组样本，发现细胞通过协调σ因子（如RpoS与RpoD）竞争RNA聚合酶资源，在抗性（resistance）和持久性（persistence）表型间动态切换。这种权衡解释了高密度培养中的生长停滞现象，并揭示了代谢工程菌株因资源倾斜导致的持久性程序化机制。

引言

高密度微生物培养在生物制造和感染微环境中普遍存在，但相关转录调控机制长期未被阐明。研究利用平行化生物反应器与多组学技术，对比野生型（WT）与代谢工程菌株（如色氨酸生产者TRP、褪黑素生产者MEL）的生理差异，重点关注碳限制和活性氧（ROS）积累下的应激响应网络。

结果与讨论

高密度培养的代谢特征

工程菌株（MEL）的CO₂
产率比WT高30%，但生物量降低35%，表明异源途径导致碳流转向能量代谢。氧化磷酸化增强伴随ROS生成上升（预测达90 μmol L_cell
^?1
s^?1
），触发DNA损伤（SOS响应）和蛋白聚集（RpoH激活）。

转录组重构揭示应激模块

独立成分分析（ICA）鉴定出194个iModulon，其中48个为高密度特异性。抗性相关模块（RpoS、GadXW）在WT中主导，而工程菌株显著激活化学应激模块（MarA/SoxS），通过外排泵AcrAB和孔蛋白抑制实现化学防御。

持久性表型的分子基础

代谢负担导致资源竞争：

1. 能量危机：ppGpp信号上调抑制核糖体合成，与RpoS负相关（Spearman R²
   = ?0.86）；
2. 蛋白稳态崩溃：聚集伴侣蛋白Ib