蛋白质组学揭示AHLs诱导Geobacter soli生物膜形成和电活性机制

题目：Chemical signals stimulate Geobacter soli biofilm formation and electroactivity

蛋白质组学揭示AHLs诱导Geobacter soli生物膜形成和电活性机制

期刊：Biosensors and Bioelectronic

影响因子：8.173

合作技术：SWATH

 

研究背景

        生物膜在污水处理系统中被广泛应用，其中电化学生物膜（Electroactive biofilms, EABs）因具有向固体材料（如电极）传递电子的能力，是废水处理和其他污染控制措施中最有前途的生物膜类型之一，同时EABs的形成和调控对生物电化学系统（BES）性能至关重要。已有研究证明群体感应（Quorum sensing, QS）系统对BESs中EABs性能产生影响，N-酰基高丝氨酸内酯（AHLs）是细菌调节群体感应的通信因子。目前Geobacter sp.的电化学活性和生物膜的形成是否受到AHLs的影响，以及Geobacter sp.是否产生内源性AHLs尚未见报道。

 

研究内容及结果

1. AHLs促进 Geobacter soli生物膜形成和电化学活性

        作者分别用两种外源AHLs，包括C6-HSL和3OC12-HSL，处理 Geobacter soli，发现和对照组相比，含外源AHLs的EABs与阳极相关的生物量最多，而不含AHLs的EABs生物量明显较少。激光共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）图像揭示了内源性和外源性AHLs对生物膜形成的积极作用。利用外源性AHLs的实验组观察到图1中可见的成熟生物膜，同样，添加酰基酶后，其生物量和生物膜形成均低于对照组，说明G. soli分泌的内源性AHLs和外源性AHLs具有相同的功能。

        作者发现在AHLs存在下，BESs的启动时间缩短，电流输出增强（图2a）。具有外源性AHLs和内源性AHLs的BESs在第4天开始出现明显的电流峰值，只有内源性AHLs的BESs和没有内源性AHLs的BESs分别在第12天和第20天达到初始电流峰值。为了证实酰基酶的AHLs降解功能，作者进行了AHLs和酰基酶同时存在的处理组。以上实验结果表明，外源性和内源性AHLs在BESs中发挥调节作用。

        随后，作者采用CV法研究AHLs对G. soli 的EABs氧化还原活性的影响。结果显示，外源性AHLs的G. soli EABs在所有处理中催化电流最高（图2b）。而在无菌PBS中加入AHLs和酰基酶未见氧化还原峰，这说明所有氧化还原信号均由生物膜基氧化还原化合物引起。EABs的电化学阻抗谱（EIS）用于反映细胞外电子转移过程，该过程涉及以电流输出测量的总体电子转移速率。在无内源性和外源性AHLs时，BESs的Rct和Rbiofilm均最高（图2c）。相比之下，外源性AHLs处理的电荷转移电阻（Rct）值和生物膜电阻（Rbiofilm）值最低，这说明AHLs能有效提高G. soli EABs的电荷转移能力和电导率。

        受电子能力（EAC）和供电子能力（EDC）可用于表征胞外聚合物（EPS）中电化学活性物质如外膜细胞色素C的电活性。如图3所示，无内源性AHLs的总EPS的EAC略低于对照组。添加C6-HSL的EPS总EDC和EAC分别比对照组高75%和50%，添加3OC12-HSL的EPS总EDC比对照组高50%，说明外源性AHLs可增强EPS的氧化还原活性。综上所述，结果表明内源性和外源性AHLs均能提高G. soli EABs的电化学活性。

图1 CLSM结果

 

图2 EABs电化学性能

 

图3 EPS的EAC和EDC值

 

2. 外源性和内源性AHLs均促进膜表面蛋白形成

        由于添加了酰基酶的实验组生物膜的形成和电活性均低于对照组，因此，作者认为G. soli可以分泌内源性AHL，质谱鉴定证明了这一点（图4）。电化学原位FTIR光谱可以识别生物膜形成过程中参与细胞外电子传递通路的分子，从分子水平揭示了氧化还原对的电化学反应。条带随电位变化与细胞电极界面氧化还原反应有关，结果表明内源性AHLs可以提高外膜蛋白的相对丰度，外源性AHLs的加入能够进一步促进G. soli生物膜中羰基与酰胺的形成，使与酰胺的氢键更强。

图4 质谱检测内源性AHLs

 

图5 FTIR分析

3. 蛋白质组学揭示AHLs作用机制

        接下来，作者选用SWATH-MS定量蛋白质组学技术研究单个细胞对AHLs反应的多种机制。发现内源性AHLs与外源性AHLs生物膜中分别有445和15个差异表达蛋白。COG功能注释表明，暴露于酰基酶的生物膜下调蛋白多参与能量的产生与转化、核苷酸的转运与代谢、碳水化合物的转运与代谢以及氨基酸的转运与代谢。内源性AHLs可以影响上述过程中蛋白的表达水平，进而影响生物膜的形成。参与EPS生产的关键酶包括磷酸烯醇丙酮酸合成酶、三磷酸异构酶、葡萄糖-6-磷酸异构酶以及磷酸葡聚糖酶，这些关键酶在AHLs存在下表达量均显著上调。这说明内源性AHLs可能促进关键酶的表达，提高EPS产量。此外，许多与代谢过程相关的蛋白，如在三羧酸（TCA）循环中起关键作用的柠檬酸合成酶，在没有内源性AHLs的情况下表达量下调，说明内源性AHLs也会影响G. soli的代谢活性。加外源性AHL后，与电子转移相关的NADH脱氢酶表达量上调3倍，这可能是由于添加外源性AHL后电流密度较高。综上，内源性和外源性AHLs对G. soli生物膜的电活性均有明显的正向影响，外源性AHLs对个体G. soli蛋白表达的进一步影响，诱导了优势电流生成。

 图6 COG分析

文章小结

Geobacter soli GSS01可以分泌内源性AHLs，提高外膜蛋白的相对丰度。内源性AHLs通过促进糖异生途径的关键酶的表达影响EPS的形成。此外，内源性AHLs在单个G. soli细胞的能量转换、物质转运和代谢等生理性能方面发挥着重要作用。外源AHLs进一步促进了G. soli生物膜中酰胺II的形成以及羰基与酰胺之间形成更强的氢键。本研究揭示了化学信号在Geobacter sp.体内的重要性，为揭示内源性和外源性AHLs的刺激机制提供了初步的科学依据。

 

解析文献

Xianyue Jing, Xing Liu, et al. Chemical signals stimulate Geobacter soli biofilm formation and electroactivity[J]. Biosensors and Bioelectronic, 2018, 127:1-9. 

 

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