【LorMe周刊】化繁为简：通过代谢分工促进底物消耗
作者：任鹏，南京农业大学硕士在读。主要研究根际资源与微生物互作。
从底物到终产物之间的转变并非一蹴而就，期间需要经过多次且由不同酶负责的酶促反应。作者假设：底物的交互喂养作用可以消除不同酶之间的竞争作用，进而减少中间代谢产物的累积，并因此促进底物消耗和终产物输出。文中以负责不同硝酸盐还原阶段的假单胞菌的突变体为研究材料进行实验，结果发现，将不同的代谢过程分配给不同的微生物消除了酶之间的竞争作用进而减少了中间代谢产物亚硝酸盐的累积并促进底物消耗。此外，作者还指出，上述结果的出现必须建立在中间代谢产物亚硝酸盐具有生长抑制效应的基础上。该文章阐述了微生物代谢分工的重要性，对如何构建合成菌群进而优化生物转化过程提供了一些见解。
(a) 由一个细胞完成整个代谢过程；(b) 由两个不同的细胞完成整个代谢过程
为此，作者选用了一株野生型假单胞菌和两株假单胞菌突变体（Pseudomonas stutzeri，图2）：野生型菌株A1601（具有完整的硝酸盐还原能力）、突变体菌株A1602（仅能进行硝酸盐还原的第二阶段）和突变体菌株A1603（仅能进行硝酸盐还原的第一阶段），并进行了菌株A1601单培养以及菌株A1602和菌株A1603共培养的实验。由于A1602和A1603负责硝酸盐还原的不同阶段，因此这两者的共培养可以表征消除酶竞争后的结果。
作者首先进行了野生型菌株单培养和突变体菌株共培养实验。结果发现，随着硝酸盐的消耗，单培养体系中的亚硝酸盐出现累积，而共培养体系条件下无此现象（图3a）。这说明将不同代谢途径分配至不同的微生物可以大大提高中间代谢产物的反应速率。但此时仍不能将此结果归因于硝酸盐还原酶与亚硝酸盐还原酶之间的竞争作用。作者认为，如果是硝酸盐的还原速率大于亚硝酸盐，同样会出现类似的结果。对此，作者利用数学模型进行了预测。
图3b和图3c分别表示只存在酶竞争和只存在酶促反应速率差异时的结果。模型预测显示，当只存在酶竞争作用时，其结果与图3a相似，这说明酶竞争作用可能是导致中间代谢产物累积的原因之一；而当只存在酶促反应速率差而无酶竞争作用时，无论是单培养模式还是共培养模式，均出现了中间代谢产物的累积。再结合图3a和图3b的结果可以得知：亚硝酸根的累积是硝酸还原酶和亚硝酸还原酶之间的竞争单方面所导致的，同时，也侧面说明将不同的代谢途径分配到不同的细胞中可以消除这种竞争作用进而提高反应速率。
CC：单培养；CF共培养
以上结果说明，中间代谢产物的累积未必会抑制细胞本身的生长，pH是其发挥抑制作用的关键。
图4 不同pH条件下中间代谢产物累积的抑制效应
pH6.5条件下，亚硝酸盐的累积表现出抑制效应，此抑制效应是否会促进底物硝酸盐的消耗呢？为了探究该问题，作者以硝酸盐为底物进行了野生型单培养和突变体共培养的实验，并以各体系中细胞数量达到稳定阶段所需时间的比值来反映不同模式下的底物消耗速率是否具有差异（tstat,CF/tstat,CC）。结果显示，当pH为6.5时，共培养模式下的底物消耗速率显著提高（图5），而此条件下亚硝酸盐的累积具有抑制效应。所以，作者得出结论：只有当中间代谢产物累积具有生长抑制效应时才会促进底物的消耗。
微生物对底物的消耗速率是衡量微生物相关功能强弱的重要指标之一。作者通过一个简单的实验展示了同一个细胞内不同酶之间的竞争会影响底物的消耗，若将一个完整的代谢过程进行合理分配并构建具有不同代谢分支的突变体，便可以消除酶竞争进而提高底物的反应速率。
但从另一个角度思考该研究时，可以发现不同代谢途径的分配实际上是不同微生物之间的分工合作，而不同突变体之间的共培养则可认为是合成菌群的构建。单菌的代谢负担来自哪里？结果已经显而易见了；而为何要进行代谢分工以及合成菌群的构建？答案也不言而喻。
论文信息
原名：Segregating metabolicprocesses into different microbial cells accelerates the consumption of inhibitorysubstrates
译名：微生物的代谢分工可以促进抑制型底物的消耗
期刊：ISME Journal
IF(2019)：9.180
发表时间：2016.1
通讯作者：David R Johnson
通讯作者单位：瑞士联邦研究院环境微生物学系