Nat Commun︱武汉大学袁荃/余锂镭团队开发基于电子传递的氧化还原通信策略用于微生物代谢调控

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撰文︱陈娜

审阅︱袁荃，余锂镭

责编︱王思珍

微生物之间可以通过感知外界动态信息，产生和释放信号分子进行通信交流，影响微生物基因表达情况，进而改变微生物群落的集体行为，在生命进化过程中扮演着重要角色。基于氧化还原物质的通信方式可通过电子的得失实现氧化还原状态的动态可逆循环，在代谢过程的动态可逆调节中发挥了重要作用。类似于电子信息学领域的通信网络系统，氧化还原通信系统同样地可通过对连续动态的氧化还原信号进行感知、分析和处理。这种基于氧化还原的通信网络有望用于代谢过程的智能化动态可逆调控，实现代谢途径过程中的资源动态再分配，提高代谢通量，在高附加值产物生物合成等领域具有重要的应用潜力。

近日，武汉大学袁荃教授及余锂镭教授等人，提出了一种基于电子传递的氧化还原通信策略，利用微生物体系电子传递引发的Fe³⁺/Fe²⁺信号转化，建立了包含希瓦氏菌“路由器”、光学纳米探针“验证器”以及沼泽红细菌“致动器”的微生物循环通信网络模型，通过对体系中氧化还原动态信息的感知、分析和处理，实现微生物代谢过程的动态调控，提升微生物合成高效附加值产物的效率。这种基于电子转移的氧化还原循环通信网络策略有望为微生物多重代谢任务分配以及代谢调控等领域研究提供新的思路，在微生物代谢协调促进生物合成以及CO₂固定等相关微生物代谢产业领域发挥重要作用。该研究成果以“Redox signaling-driven modulation of microbial biosynthesis and biocatalysis”为题发表在Nature Communication期刊上。论文的第一作者为武汉大学博士后陈娜以及博士生杜娜。

类似于电子信息学领域的局域网，生物局域网同样具有信号传播、空间组织以及劳动分工的优势。在电子信息学领域的局域网体系，“路由器”“致动器”“验证器”分别负责特定的信号处理任务—信号的截留、传达与翻译。在构建的生物局域网中，细菌可与生物分子“硬件”体系连接，将电子传递给氧化型分子信号，输出还原型分子信号，实现氧化还原分子信号的截留，就类似于电子信息学领域的“路由器”。随后，“路由器”截留的还原型分子信号进一步传输给生物局域网的其他两个组成部分“致动器”和“验证器”。“致动器”和“验证器”接收氧化还原信号后分别负责信号传达和信号翻译。

图1  基于电子转移的氧化还原信号驱动的生物局域网示意图

希瓦氏菌是一种可以将自身代谢电子传递给外部环境的微生物，可用于氧化还原信号Fe³⁺/Fe²⁺的转化，实现信号传播。希瓦氏菌“路由器”中的金属还原代谢通路可看作是“路由器”的“中央处理器（CPU）”，是“路由器”体系氧化还原信号运算和控制中心。希瓦氏“路由器”输出的Fe²⁺信号进一步被生物局域网中的“致动器”和“验证器”接收，进行信号的传达与翻译。沼泽红细菌可通过PioABC电子传递复合蛋白接收Fe²⁺信号中的电子，用于自身代谢。在接收Fe²⁺信号中的电子的同时，沼泽红细菌可以将Fe²⁺信号转化为Fe³⁺，实现信号的再转换。此外，沼泽红细菌还可以进行番茄红素的合成。在构建的小型生物局域网中，沼泽红“致动器”具有信号再转换以及生物合成的双重“致动”功能。此外，生物局域网体系中，Fe³⁺和Fe²⁺可进行动态可逆转换，这种生物信号的转换可通过纳米光学“验证器”实现实时追踪。

图2 基于电子转移的氧化还原信号驱动的生物局域网

通过对体系中微生物进行16sRNA基因测序，研究人员发现氧化还原循环过程的引入使得微生物体系的能量代谢相关基因丰度下降，而生长代谢相关的功能酶基因丰度有所上升，说明氧化还原循环过程的引入降低了体系中的能量代谢，增强了生长代谢。这可能是由于这种电子交叉喂养的资源交换方式可为微生物提供关键还原力或者能量，节省了微生物代谢所需要的代谢能量和代谢成本，进而增强了相关生化和生理功能，促进微生物生长。研究人员还发现在引入氧化还原循环过程体系NADPH/NADP⁺、NADH/NAD⁺以及ATP均远高于未引入氧化还原循环过程的值。结果表明，氧化还原循环过程的引入可以有效提高还原力与能量物质水平。此外，测序结果显示，在具有氧化还原循环体系，沼泽红比例升高的速率要高于没有氧化还原循环的体系。以上结果说明氧化还原循环通信网络可协调微生物代谢。

图3  氧化还原通讯对微生物代谢行为的影响

利用转录组学技术对氧化还原通讯过程如何影响两种细菌中基因表达的情况进行了分析。研究发现，氧化还原通讯过程的引入，可以促进具有电子传递功能的蛋白，包括菌毛蛋白、鞭毛蛋白、细胞色素c以及核黄素基因基因在希瓦氏“路由器”和沼泽红“致动器”两种细菌中的表达。此外，研究还发现，氧化还原通讯过程的引入，使得沼泽红“致动器”中还原型物质NAD(P)H相关基因的表达量整体提升，说明氧化还原循环通信网络的引入可以增强还原性物质相关代谢基因的表达。结果表明，氧化还原循环通信网络体系可通过影响电子传递蛋白以及关键还原型物质代谢相关基因，影响相关蛋白功能，进而实现对微生物代谢行为的调控。

图4 氧化还原通讯影响希瓦式菌和沼泽红细菌中相关基因的表达

通过加入电子传递穿梭体、抑制剂等，研究了电子传递过程对沼泽红“致动器”生物合成效率的影响。研究发现，沼泽红生物合成番茄红素的效率与电子传递过程密切相关，电子传递过程的促进或者抑制可增强或者降低沼泽红“致动器”生物合成效率。通过流式细胞术对沼泽红“致动器”进行分选，利用检测试剂盒对沼泽红“致动器”中关键还原性物质NADH/NAD⁺以及NADPH/NADP⁺进行了定量分析。发现引入了氧化还原循环通信网络体系，沼泽红“致动器”体内NADH/NAD⁺以及NADPH/NADP⁺的含量均有所上升。上述结果可能是沼泽红“致动器”接收电子后，提升了体内还原型物质含量所导致的。结果表明，氧化还原循环通信网络体系可通过电子定向运输方式，提高沼泽红“致动器”体内还原型物质含量，为甲羟戊酸(MVA)代谢途径以及2-甲基-D-赤藻糖醇-4-磷酸（MEP）代谢途径的生物合成等过程提供关键还原力，进而提高番茄红素生物合成效率。

图5 生物局域网中微生物的代谢行为

混菌体系通过结合细菌各自不同的优势进行协同分工合作，可实现更高的预期，在提高生物合成效率等领域引起了广大科研工作者的关注。研究人员进一步研究了氧化还原通信对希瓦氏-硫还原地杆菌-沼泽红三菌体系的影响。与希瓦氏菌一样，硫还原地杆菌也是一种铁还原菌，同样可以将Fe³⁺氧化还原信号转换为Fe²⁺。希瓦氏和硫还原地杆菌可作为“双频路由器”，根据两者各自的代谢状态用于Fe²⁺信号的输出，防止“网络不稳定”以及“掉线”情况的发生。研究人员发现，氧化还原循环通信网络的引入同样可调控三菌体系微生物代谢。氧化还原通讯网络中电子被源源不断运输给沼泽红“致动器”，提高合成代谢过程中关键还原性物质含量，进而提高三菌体系中沼泽红细菌CO₂固定以及番茄红素生物合成效率。

图6 氧化还原通讯对三菌体系代谢行为的影响

文章结论与讨论，启发与展望

总的来说，研究人员构建了基于电子转移的氧化还原循环通信生物局域网系统，该系统可通过激活细菌电子传递蛋白基因表达，增强电子传递蛋白功能，利用氧化还原状态的动态切换将电子源源不断的定向输送给沼泽红“致动器”，促进沼泽红细菌生物合成所需要的关键辅酶NADPH以及NADH的生成，进而提高沼泽红“致动器”中高附加值产物的生物合成效率以及CO₂固定效率。此外，该研究表明，该基于电子转移的氧化还原循环通信网络系统在三菌体系中同样适用。随着合成生物学的发展，这种基于电子转移的氧化还原循环通信网络策略有望为负责微生物多重代谢任务分配以及代谢调控等提供新的思路，有望在微生物代谢协调促进生物合成以及CO₂固定等相关微生物代谢产业领域发挥重要作用。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-42561-3

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本文完