大肠杆菌FocA/B依赖的H+和K+跨膜转运机制：外源性与内源性甲酸的调控差异

本研究揭示了大肠杆菌在发酵过程中通过FocA/FocB通道双向转运甲酸的分子机制，发现外源添加与内源生成甲酸会通过不同途径影响FOF1 ATPase活性及离子跨膜转运。研究人员通过构建单/双基因敲除株，证实FocB缺失时外源甲酸可特异性增强K+流，而FocA缺失导致ATP酶活性异常升高。该发现为理解细菌能量代谢调控提供了新视角。

　　

在微生物能量代谢领域，甲酸作为发酵过程中的关键代谢物，其跨膜转运机制一直是未解之谜。大肠杆菌通过FocA和FocB这两个神秘通道实现甲酸的双向运输，但外界环境中的甲酸与细胞自身产生的甲酸是否会触发不同的生理响应？这个问题直接关系到我们理解细菌如何动态调节能量平衡。更引人深思的是，这些通道与著名的F_OF₁ ATP酶（细胞能量工厂的核心部件）之间存在何种精妙协作？这些科学谜题对开发新型抗菌策略具有重要意义。

来自亚美尼亚埃里温国立大学生物系（Yerevan State University）的L. Grigoryan团队在《Biophysical Reports》发表的研究给出了答案。他们创新性地采用混合碳源发酵体系（葡萄糖+甘油±甲酸），通过构建focA、focB单/双敲除突变株，结合全细胞测定技术和DCCD（ATP酶特异性抑制剂）敏感性实验，系统分析了静止期细胞的质子流、钾离子流及ATP酶活性变化。

【主要技术方法】

1. 基因敲除株构建：制备focA^-、focB^-及双敲除突变体

2. 混合碳源发酵：pH 7.5条件下采用葡萄糖+甘油±甲酸培养体系

3. 离子通量检测：DCCD敏感性质子流和钾流测定

4. 酶活分析：F_OF₁ ATP酶活性定量

【外源甲酸激活质子转运】

在葡萄糖+甘油培养的静止期细胞中，外源添加甲酸使所有基因型菌株的DCCD敏感性质子流显著增强。特别值得注意的是，focA^-突变体的响应幅度最大，暗示FocA可能具有抑制质子过度外排的"刹车"功能。

【FocB缺失引发钾流异常】

当研究团队检测钾离子流动时，发现戏剧性变化：仅在focB^-和双敲除突变体中，外源甲酸才能激活DCCD敏感性钾流。这表明FocB可能是钾通道的负调控因子，其缺失会解除对钾转运系统的抑制。

【内源甲酸代谢的ATP酶调控】

在含甲酸的培养基中，野生型细胞的F_OF₁ ATP酶活性比对照组高60%。focA^-突变体表现出更极端的表型——酶活翻倍，而双敲除株却出现50%的活性下降。这种"跷跷板效应"揭示FocA和FocB以相反方向调节ATP酶活性。

【代谢平衡新模型】

研究最终构建出精妙的调控网络：当环境存在高浓度甲酸时，FocA优先介导质子外排维持pH稳态；内源生成的甲酸则通过FocB协调钾流平衡膜电位。这两种通道与甲酸氢化酶（formate hydrogenlyase）形成动态协作系统，使细胞能根据甲酸来源差异灵活调整能量代谢策略。

这项研究不仅阐明了细菌离子转运的分子开关机制，更为理解抗生素作用靶点提供了新思路。FocA/FocB通道的差异性调控特征，可能成为未来开发选择性抗菌药物的理论依据。论文揭示的"代谢物来源感知"现象，对真核细胞能量代谢研究同样具有启示意义。