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蛋白质组学揭示ahls诱导geobacter soli生物膜形成和电活性机制
文章来源：genecreate
作者：genecreate
发布时间：2019-01-10 17:09
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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