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(chēng)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(guò)植物型光合作用，將二氧化碳固定并轉(zhuǎn)化為各類(lèi)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(lái)抵抗逆境，然而，相關(guān)調(diào)控機(jī)制仍未被清楚揭示。

中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所微生物代謝工程研究組長(zhǎng)期以來(lái)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(duì)鹽脅迫、合成蔗糖方面的深層機(jī)制。通過(guò)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(guò)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(duì)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(kāi)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(duì)環(huán)境鹽度變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

高鹽環(huán)境對(duì)細(xì)胞的生理脅迫是一個(gè)快速的過(guò)程，為了響應(yīng)并適應(yīng)高鹽環(huán)境，細(xì)胞也必須對(duì)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。