光响应性铁螯合剂普切明酸调控枯草芽孢杆菌生物膜发育的分子机制

本研究揭示了非光合细菌枯草芽孢杆菌(B. subtilis)通过光敏性铁螯合剂普切明酸(pulcherriminic acid)感知蓝光的独特机制。研究人员发现光照诱导普切明酸降解，通过调控yumC操纵子表达和铁可用性，影响生物膜成熟过程。该发现为理解微生物环境适应提供了新视角，发表于《Nature Communications》。

　　

在自然界中，光照作为重要的环境信号，不仅影响光合生物，也调控着非光合微生物的生理行为。传统认知中，细菌主要通过光受体蛋白（如LOV结构域蛋白YtvA）感知光线，然而枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)的生物膜光响应机制长期未明。这种土壤微生物形成的生物膜在接近地表时会面临光照威胁，但缺乏典型光受体依赖的响应系统。更引人深思的是，铁代谢与光响应间的潜在关联在微生物环境适应中具有重要意义。

日本奈良先端科学技术大学院大学Kazuo Kobayashi团队在《Nature Communications》发表的研究，揭示了普切明酸这种铁螯合剂作为光敏分子的全新功能。研究发现，在光照条件下，B. subtilis生物膜持续扩展而不成熟，形成薄而平滑的菌落。这种表型与抑制普切明酸生物合成时观察到的现象相似。通过系列实验证实，光照诱导普切明酸自发降解，同时Fe³⁺结合的普切明酸通过抑制阻遏蛋白PchR与yumC启动子的结合，上调普切明酸生物合成基因表达。这种光敏特性使普切明酸能够响应光照变化，调控铁代谢和生物膜发育。

研究采用的主要技术包括：构建系列报告基因株（如P_yumC-gfp、P_epsA-gfp）通过流式细胞术监测基因表达；利用转座子突变筛选光抗性突变体；通过电泳迁移率变动分析(EMSA)验证PchR与DNA互作；采用液相色谱-光电二极管阵列-质谱联用(LC/PDA-MS)分析普切明酸光降解产物；通过分光光度法测定普切明酸/普切铁色素含量。

【光应激响应】研究发现强光(110 μmol m^-2 s^-1)通过激发原卟啉IX(protoporphyrin IX)产生活性氧(ROS)，而血红素合成途径基因(hemAXCDBL)突变赋予光抗性。铁补充(150 μM FeCl₃)可完全抑制光敏感性，表明铁限制条件下原卟啉IX依赖的ROS生成是光毒性的主要原因。

【光诱导生物膜扩展】中等光照(35 μmol m^-2 s^-1)使生物膜持续扩展，面积达暗处的4.9倍(9.3 vs 1.9 cm²)。蓝光(458 nm)特异性诱导该表型，且依赖表面活性素(surfactin)和胞外多糖(EPS)介导的群体滑动运动。

【普切明酸光调控】暗条件下生物膜产生红褐色普切铁色素(pulcherrimin)，光照使其减少21.8倍。昼夜交替实验显示P_yumC-gfp表达呈振荡模式，证实生物膜通过普切明酸代谢响应光周期变化。

【转录调控机制】EMSAs证实Fe³⁺-普切明酸复合物抑制PchR与启动子结合。ΔpchR突变体组成性高表达yumC，但光照仍抑制普切明酸产生，表明存在转录后调控。

【光化学特性】LC-MS显示普切明酸(m/z 257.2)在光照10分钟后几乎完全降解，产生m/z 198.2和229.1的片段。铁补充实验证实培养基中铁浓度增加可减轻普切明酸光解。

该研究首次阐明非光受体依赖的微生物光响应机制，提出"代谢型光感受器"的新概念。普切明酸通过其光敏特性连接环境信号与铁代谢调控，使生物膜在光照条件下避免铁限制引发的氧化应激。这一发现不仅拓展了对微生物环境适应的认知，也为理解bacillales目细菌（包括病原体）的光响应提供了新视角。特别值得注意的是，这种通过代谢物降解直接感知环境信号的策略，不同于传统的光受体-信号转导范式，为合成生物学和光控微生物行为研究开辟了新思路。