Reverse diauxie phenotype in Pseudomonas aeruginosa biofilm revealed by exometabolomics and label-free proteomics

銅綠假單胞菌生物膜中通過外代謝組學和無標記蛋白質組學揭示的反向雙峰表型

來源：npj Biofilms and Microbiomes, volume 5, article number 31,2019

《npj 生物膜和微生物組》，第5卷，文章編號31，2019年

 

摘要：

這篇論文研究了銅綠假單胞菌在生物膜生長過程中是否表現出反向雙峰表型，即優先利用有機酸（如乳酸）而非葡萄糖的碳源代謝策略。通過結合外代謝組學和無標記蛋白質組學方法，分析了浮游和生物膜培養物，發現生物膜培養物也優先消耗乳酸，并且不產生典型的乙酸溢出代謝。這些發現對于理解生物膜環境下的營養和能量通量至關重要，有助于揭示生長和毒力控制的機制。

 

研究目的：

研究目的是明確證實銅綠假單胞菌生物膜中是否存在反向雙峰表型，此前該表型僅在浮游培養物中被描述。通過外代謝組學和蛋白質組學，填補生物膜代謝表型的知識空白，為理解生物膜在慢性傷口等環境中的適應機制提供基礎。

 

研究思路：

研究思路是使用銅綠假單胞菌臨床分離株，在化學定義培養基（CSP和添加乳酸的LCSP）中培養浮游和生物膜樣本。通過外代謝組學（如HPLC和NMR）測量代謝物濃度變化，并通過無標記蛋白質組學（LC-MS/MS）分析蛋白質豐度差異。比較不同培養條件下碳源消耗順序和蛋白質表達，以驗證反向雙峰現象在生物膜中的存在。

 

測量的數據及研究意義：

1. 代謝物濃度數據：測量了葡萄糖、乳酸、乙酸和檸檬酸等碳源的濃度變化，來自圖1和圖2。研究意義是直接顯示碳源消耗順序，證實反向雙峰表型，即乳酸優先于葡萄糖被利用，這有助于理解生物膜代謝策略與浮游狀態的差異。

 

 

2. 生物量數據：測量了培養物的生長速率和倍增時間，來自表1。研究意義是顯示生物膜生長較慢，可能與營養擴散限制相關，這突出了生物膜環境的獨特性，影響代謝通量計算。

 

3. 蛋白質豐度數據：通過蛋白質組學測量了關鍵酶和調節蛋白的豐度變化，來自圖4、表2和表3。研究意義是揭示代謝途徑的分子基礎，如乳酸脫氫酶（LldD）在乳酸存在下高表達，而葡萄糖代謝相關蛋白被抑制，這支持反向雙峰的調控機制，并識別出與生物膜形成相關的新蛋白。

 

 

 

4. 氧氣濃度數據：使用丹麥Unisense電極測量生物膜內的氧氣梯度，來自圖3。研究意義是量化氧氣擴散限制，顯示生物膜頂部有氧而底部缺氧，這解釋了反向雙峰在低氧環境下的可行性，并強調終端電子受體（如氧氣）在代謝中的關鍵作用。

 

 

結論：

論文得出結論，銅綠假單胞菌生物膜確實表現出反向雙峰表型，優先消耗乳酸而非葡萄糖，且不產生乙酸溢出代謝。蛋白質組學顯示生物膜通過上調特定酶（如乳酸脫氫酶和TCA循環酶）來適應低氧環境。這些發現強調了生物膜代謝的復雜性，為理解慢性傷口等實際應用中的微生物行為提供了新見解。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：

使用丹麥Unisense電極測量的氧氣梯度數據具有重要研究意義，它直接證實了生物膜內部的氧氣擴散限制，即頂部約150微米有氧而底部200微米缺氧。這種測量意義在于解釋了反向雙峰表型在生物膜中的可行性，因為反向雙峰依賴于氧氣作為終端電子受體，而低氧環境通常不利于此類代謝。數據還支持了生物膜異質性假說，表明代謝表型可能隨空間變化，這有助于優化生物膜模型和開發針對慢性傷口感染的策略，其中氧氣限制常見。