镁离子缺乏影响大肠杆菌的耐热性

《Food Research International》：Mg2+ deficiency affects heat shock resistance in Escherichia coli

　　

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  对数生长期的大肠杆菌细胞可通过突变获得增强的耐热性
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  细胞内Mg²⁺稳态是耐热性的基础
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  添加Mg²⁺离子可赋予肠杆菌科病原菌耐热性

引言

为确保食品安全并延长保质期，食品加工链通常依赖热应激来灭活致病和腐败微生物。然而，剧烈的高温也会负面影响食品的感官和营养品质，这两者都是决定消费者满意度的关键因素（Corradini & Peleg, 2006; Gómez et al., 2020; Lee et al., 2017; Zia et al., 2024）。因此，食品工业界对转向较低温度的热加工方式颇感兴趣，通常还会结合其他加工因素（Aaliya et al., 2021; Leistner & Gorris, 1995）。事实上，组合多种温和应激（最好能产生协同作用）仍然可以从生理上破坏并灭活微生物，同时对食品的营养和感官品质的损害更小（Aaliya et al., 2021; Singh & Shalini, 2016）。

然而，食品加工链中强度较低的加热制度或温度梯度也往往更容易允许微生物成功执行存活策略，从而进行适应性进化。在此背景下，在肉类加工场所中经常发现具有极强耐热性的大肠杆菌分离株，这些场所常规使用蒸汽或热水对胴体进行消毒（Dlusskaya et al., 2011; Guragain et al., 2020, Guragain et al., 2021, Guragain et al., 2023）。在许多分离株中，这种异常耐热性的原因部分可追溯至水平获取的耐热位点（Locus of Heat Resistance, LHR），该位点编码多种伴侣蛋白、推测参与包膜应激的蛋白质以及参与氧化应激的蛋白质（Dlusskaya et al., 2011; Guragain et al., 2020, Guragain et al., 2021, Guragain et al., 2023; Mercer et al., 2015, Mercer et al., 2017）。此外，除了获取LHR外，定向进化研究表明，更为细微的适应性突变也可以轻易提高大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌和军团菌的耐热性（Berdejo et al., 2024; Liang et al., 2023; Mortier et al., 2019; O'Connor et al., 2009）。从机制上看，这些突变通常会上调RpoH sigma因子的活性，进而触发热休克蛋白的基础性上调以及伴随的热休克抗性。

尽管如此，我们仍需更广泛地了解食源性病原菌耐热性发展的可能进化途径和分子机制，以便更好地预见和控制其在食品加工链中的行为。在此背景下，大多数定向进化研究聚焦于支持生长停滞的稳态期细胞耐热性的机制，而许多加工场所或食品基质实际上在热处理之前是允许微生物生长的。由于增殖的对数生长期细胞的生理状态与生长停滞的稳态期细胞存在显著差异（Navarro Llorens et al., 2010），其热灭活和抗性机制也可能有所不同。因此，在本手稿中，我们研究了指数生长的大肠杆菌如何提高其热休克抗性。这一研究导致了一个令人惊讶的发现：充足的细胞内Mg²⁺水平对多种相关致病肠杆菌的热休克抗性至关重要。

章节摘要

菌株与生长条件

本研究使用的细菌菌株、质粒和引物分别列于附表1、2和3中。大肠杆菌K^?12 MG1655及其衍生株（其中天然clpB基因与编码单体超级折叠绿色荧光蛋白（msfGFP）的基因进行了转录融合），在整个研究中作为亲本背景菌株使用。细菌在肉汤蛋白胨培养基（LB）中培养（5 g/L NaCl [Fisher chemical]、5 g/L酵母提取物 [Oxoid]、10 g/L酪素蛋白胨I型）

热循环可轻易增加对数生长期大肠杆菌细胞的热休克抗性

在以往的研究中，我们鉴定了赋予稳态期大肠杆菌MG1655和鼠伤寒沙门氏菌LT2增强热休克抗性的机制（Berdejo et al., 2024; Mortier et al., 2021）。然而，由于生长阶段对基因表达和细胞调控有重大影响（Navarro Llorens et al., 2010），我们假设如果我们在对数生长期而非稳态期对细胞进行热应激处理，将会发现不同的适应性突变和赋予热休克抗性的机制。

讨论

与我们之前针对生长停滞的稳态期大肠杆菌细胞进行热休克抗性定向进化研究（Berdejo et al., 2024; Mortier et al., 2021）不同，我们对数生长期进化的大肠杆菌突变体均未显示出热休克蛋白基础过量表达的证据（以ClpB-msfGFP报告基因作为代理指标）。相反，当前突变体增强的热休克抗性几乎无一例外地依赖于MgtA Mg²⁺转运蛋白的过表达上调。

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在撰写本文过程中，作者使用了ChatGPT来辅助检索引言和讨论部分的相关文献。所有推荐论文均经过严格评估，并查阅了其他科学搜索引擎。作者对最终稿件的内容承担全部责任。

CRediT作者贡献声明

Dries Vaneynde：撰写——审阅与编辑、撰写——原始稿件、可视化、方法论、调查、形式分析、概念化。Sander Delvaux：调查。Arne Lammens：调查。Abram Aertsen：撰写——审阅与编辑、撰写——原始稿件、监督、调查、基金获取、概念化。

资金来源

本工作获得了弗拉芒研究基金会（FWO-Vlaanderen）资助（项目编号G0D8220N和G0A7F26N）。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的可能影响本文报告工作的竞争财务利益或个人关系。

致谢

本工作由弗拉芒研究基金会（FWO-Vlaanderen）的项目资助（项目编号G0D8220N和G0A7F26N）提供资金支持。我们感谢Kevin Broux对图像分析的贡献。

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