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Cell | 高通量电化学揭示细菌低代谢状态代谢速率

BioArt · 公众号 · 生物 · 2024-11-16 09:10

正文

撰文 | 啾啾椰

在自然界中，细菌通常处于不生长或非常缓慢生长的状态，例如在缺乏营养的土壤中，或是在缺乏氧气的环境中【1】。在临床上，许多慢性感染，特别是由铜绿假单胞菌等具膜病原体所引发的感染，往往包含不生长或低代谢活性的细菌，使得常规的抗生素治疗难以奏效【2】。

那么，细菌在不生长的情况下需要多少能量来维持其活力？这可以帮助理解细菌在自然环境中的生存能力，以开发更有效的抗生素。

近日，来自加州理工学院Dianne K.newman和东京工业学院的Akihiro Okamoto研究团队在Cell上发表了题为Mechanistic study of a low-power bacterial maintenance state using high-throughput electrochemistry的文章，提出了一种新的实验方法，利用高通量电化学系统，通过测量铜绿假单胞菌代谢产物PCN（phenazine-1-carboxamide，PCN，吩嗪-1-甲酰胺）的氧化还原状态变化（称为“酚嗪循环”），来直接测量细菌在非生长状态下的代谢功率。

PCN是铜绿假单胞菌天然合成和利用的代谢产物，具有高效、稳定的电子转移能力，并且它的氧化还原变化易于监测，非常适合用于研究低代谢状态下的细菌能量维持机制。

研究人员比较了有无PCN条件下细菌的存活率，验证了PCN在无氧条件下作为电子载体对细菌存活的重要性。随后，通过脉冲追踪实验，他们证实细胞在这些条件下的生理状态是以不生长的方式存活，而不是通过生长与死亡的动态平衡维持活力。

在为PCN氧化还原循环的监测建立了合理的实验条件后，通过高通量电化学平台，研究人员监测了PCN的氧化还原状态的变化，以推断PCN的消耗情况。在这个实验中，PCN作为一种电子载体在细菌的代谢过程中不断被氧化和还原，这种氧化还原循环反映了细菌代谢中电子转移的速率。通过测量PCN被还原和再氧化的频率或程度，可以计算出细菌利用PCN进行能量转移的速率，从而推断出细胞代谢的速率。

当细菌进行低水平的代谢，使用电子载体（如PCN）来转移电子，维持最基本的生理活动时，代谢速率约为 10³ATP sec^-1 cell^-1，这是典型的自然状态下的能量需求。这意味着细菌在自然环境中通常处于低代谢活性，能够通过最小的能量维持存活。而有氧生长状态下，细菌的代谢速率约为 10⁶–10⁸ ATP sec^-1 cell^-1，这反映了实验室条件下细菌在丰富营养和充足氧气情况下的典型代谢速率【3】。有氧生长的代谢速率远远高于维持状态的代谢速率（约高出3到5个数量级）。

图：测量细胞维持生理的所消耗能量的实验系统

本文首次展示了通过PCN循环支持的细菌不生长状态下的能量需求，并开发了高通量电化学平台测量细菌不生长状态下的能量消耗。这有助于深入研究细菌在自然和疾病环境中的生存机制。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.09.042

制版人：十一

参考文献

1. Hoehler, T.M., and Jorgensen, B.B. (2013). Microbial life under extreme energy limitation. Nar. Rev. Microbiol. 11, 83-94.

2. Stewart, P.S. (2015). Antimicrobial tolerance in biofilms. Microbiol. Spectr., 3, 269-285.

3. Deng, Y., Beahm, D.R., Ionov, S. et al. (2021). Measuring and modeling energy and power consumption in living microbial cells with a synthetic ATP reporter. BMC Biol 19, 101

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