研究揭示藍(lán)細(xì)菌適應(yīng)高鹽逆境深層機(jī)制

藍(lán)細(xì)菌，又稱為藍(lán)藻或藍(lán)綠藻，是地球上最古老的微生物之一。它們能通過植物型光合作用，將二氧化碳固定并轉(zhuǎn)化為各類碳水化合物。研究發(fā)現(xiàn)，很多藍(lán)細(xì)菌在高鹽環(huán)境下在細(xì)胞內(nèi)合成并積累蔗糖等小分子化合物來抵抗逆境，然而，相關(guān)調(diào)控機(jī)制仍未被清楚揭示。

中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所微生物代謝工程研究組長期以來致力于藍(lán)細(xì)菌逆境適應(yīng)性研究，其近期研究結(jié)果揭示了藍(lán)細(xì)菌在應(yīng)對鹽脅迫、合成蔗糖方面的深層機(jī)制。通過系統(tǒng)分析聚球藻PCC 7942蔗糖合成關(guān)鍵因子響應(yīng)高鹽脅迫的變化情況，研究人員發(fā)現(xiàn)藍(lán)細(xì)菌蔗糖代謝調(diào)控發(fā)生在基因轉(zhuǎn)錄、蛋白翻譯、酶學(xué)活性三個(gè)水平，并通過一種“離子濃度介導(dǎo)的酶活協(xié)同調(diào)控”方式，實(shí)現(xiàn)胞內(nèi)蔗糖生理代謝對環(huán)境鹽度變化的快速響應(yīng)（如圖）。相關(guān)研究成果近日發(fā)表在applied and Environmental Microbiology雜志。

在非鹽脅迫條件下，藍(lán)細(xì)菌在胞內(nèi)基礎(chǔ)性表達(dá)蔗糖合成關(guān)鍵酶SPS（sucrose phosphate synthase）；而當(dāng)細(xì)胞遭遇高鹽逆境時(shí)，胞內(nèi)離子濃度迅速升高，SPS酶活性被迅速激活，細(xì)胞開始快速合成并積累蔗糖，以維持細(xì)胞內(nèi)外的滲透平衡；而當(dāng)環(huán)境鹽度降低后，胞內(nèi)離子濃度降低，SPS重新恢復(fù)到低活性狀態(tài)，蔗糖合成也隨之減弱。有趣的是，負(fù)責(zé)蔗糖降解代謝的關(guān)鍵酶INV（invertase），其酶活調(diào)控方式與SPS正好相反，即高離子濃度抑制其活性，低離子濃度促進(jìn)其活性。這樣，藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)動(dòng)態(tài)變化的離子濃度以完全相反的方式調(diào)控著蔗糖合成和降解的關(guān)鍵酶，從而實(shí)現(xiàn)對環(huán)境鹽度變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

高鹽環(huán)境對細(xì)胞的生理脅迫是一個(gè)快速的過程，為了響應(yīng)并適應(yīng)高鹽環(huán)境，細(xì)胞也必須對逆境做出快速響應(yīng)。該研究揭示的“離子濃度介導(dǎo)的酶活協(xié)同調(diào)控”保證了藍(lán)細(xì)菌能以一種極為快速的方式實(shí)現(xiàn)細(xì)胞生理、生化響應(yīng)，因此很可能是微生物界普遍采用的一種高鹽適應(yīng)調(diào)控機(jī)制。