題目：Chemical signals stimulate Geobacter soli biofilm formation and electroactivity

蛋白質(zhì)組學(xué)揭示AHLs誘導(dǎo)Geobacter soli生物膜形成和電活性機(jī)制

期刊：Biosensors and Bioelectronic

影響因子：8.173

合作技術(shù)：SWATH

 

研究背景

        生物膜在污水處理系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，其中電化學(xué)生物膜（Electroactive biofilms, EABs）因具有向固體材料（如電極）傳遞電子的能力，是廢水處理和其他污染控制措施中最有前途的生物膜類型之一，同時EABs的形成和調(diào)控對生物電化學(xué)系統(tǒng)（BES）性能至關(guān)重要。已有研究證明群體感應(yīng)（Quorum sensing, QS）系統(tǒng)對BESs中EABs性能產(chǎn)生影響，N-酰基高絲氨酸內(nèi)酯（AHLs）是細(xì)菌調(diào)節(jié)群體感應(yīng)的通信因子。目前Geobacter sp.的電化學(xué)活性和生物膜的形成是否受到AHLs的影響，以及Geobacter sp.是否產(chǎn)生內(nèi)源性AHLs尚未見報道。

 

研究內(nèi)容及結(jié)果

1. AHLs促進(jìn) Geobacter soli生物膜形成和電化學(xué)活性

        作者分別用兩種外源AHLs，包括C6-HSL和3OC12-HSL，處理 Geobacter soli，發(fā)現(xiàn)和對照組相比，含外源AHLs的EABs與陽極相關(guān)的生物量最多，而不含AHLs的EABs生物量明顯較少。激光共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）圖像揭示了內(nèi)源性和外源性AHLs對生物膜形成的積極作用。利用外源性AHLs的實(shí)驗組觀察到圖1中可見的成熟生物膜，同樣，添加酰基酶后，其生物量和生物膜形成均低于對照組，說明G. soli分泌的內(nèi)源性AHLs和外源性AHLs具有相同的功能。

        作者發(fā)現(xiàn)在AHLs存在下，BESs的啟動時間縮短，電流輸出增強(qiáng)（圖2a）。具有外源性AHLs和內(nèi)源性AHLs的BESs在第4天開始出現(xiàn)明顯的電流峰值，只有內(nèi)源性AHLs的BESs和沒有內(nèi)源性AHLs的BESs分別在第12天和第20天達(dá)到初始電流峰值。為了證實(shí)酰基酶的AHLs降解功能，作者進(jìn)行了AHLs和酰基酶同時存在的處理組。以上實(shí)驗結(jié)果表明，外源性和內(nèi)源性AHLs在BESs中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。

        隨后，作者采用CV法研究AHLs對G. soli 的EABs氧化還原活性的影響。結(jié)果顯示，外源性AHLs的G. soli EABs在所有處理中催化電流最高（圖2b）。而在無菌PBS中加入AHLs和酰基酶未見氧化還原峰，這說明所有氧化還原信號均由生物膜基氧化還原化合物引起。EABs的電化學(xué)阻抗譜（EIS）用于反映細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移過程，該過程涉及以電流輸出測量的總體電子轉(zhuǎn)移速率。在無內(nèi)源性和外源性AHLs時，BESs的Rct和Rbiofilm均最高（圖2c）。相比之下，外源性AHLs處理的電荷轉(zhuǎn)移電阻（Rct）值和生物膜電阻（Rbiofilm）值最低，這說明AHLs能有效提高G. soli EABs的電荷轉(zhuǎn)移能力和電導(dǎo)率。

        受電子能力（EAC）和供電子能力（EDC）可用于表征胞外聚合物（EPS）中電化學(xué)活性物質(zhì)如外膜細(xì)胞色素C的電活性。如圖3所示，無內(nèi)源性AHLs的總EPS的EAC略低于對照組。添加C6-HSL的EPS總EDC和EAC分別比對照組高75%和50%，添加3OC12-HSL的EPS總EDC比對照組高50%，說明外源性AHLs可增強(qiáng)EPS的氧化還原活性。綜上所述，結(jié)果表明內(nèi)源性和外源性AHLs均能提高G. soli EABs的電化學(xué)活性。

圖1 CLSM結(jié)果

 

圖2 EABs電化學(xué)性能

 

圖3 EPS的EAC和EDC值

 

2. 外源性和內(nèi)源性AHLs均促進(jìn)膜表面蛋白形成

        由于添加了酰基酶的實(shí)驗組生物膜的形成和電活性均低于對照組，因此，作者認(rèn)為G. soli可以分泌內(nèi)源性AHL，質(zhì)譜鑒定證明了這一點(diǎn)（圖4）。電化學(xué)原位FTIR光譜可以識別生物膜形成過程中參與細(xì)胞外電子傳遞通路的分子，從分子水平揭示了氧化還原對的電化學(xué)反應(yīng)。條帶隨電位變化與細(xì)胞電極界面氧化還原反應(yīng)有關(guān)，結(jié)果表明內(nèi)源性AHLs可以提高外膜蛋白的相對豐度，外源性AHLs的加入能夠進(jìn)一步促進(jìn)G. soli生物膜中羰基與酰胺的形成，使與酰胺的氫鍵更強(qiáng)。

圖4 質(zhì)譜檢測內(nèi)源性AHLs

 

圖5 FTIR分析

3. 蛋白質(zhì)組學(xué)揭示AHLs作用機(jī)制

        接下來，作者選用SWATH-MS定量蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)研究單個細(xì)胞對AHLs反應(yīng)的多種機(jī)制。發(fā)現(xiàn)內(nèi)源性AHLs與外源性AHLs生物膜中分別有445和15個差異表達(dá)蛋白。COG功能注釋表明，暴露于酰基酶的生物膜下調(diào)蛋白多參與能量的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)化、核苷酸的轉(zhuǎn)運(yùn)與代謝、碳水化合物的轉(zhuǎn)運(yùn)與代謝以及氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn)與代謝。內(nèi)源性AHLs可以影響上述過程中蛋白的表達(dá)水平，進(jìn)而影響生物膜的形成。參與EPS生產(chǎn)的關(guān)鍵酶包括磷酸烯醇丙酮酸合成酶、三磷酸異構(gòu)酶、葡萄糖-6-磷酸異構(gòu)酶以及磷酸葡聚糖酶，這些關(guān)鍵酶在AHLs存在下表達(dá)量均顯著上調(diào)。這說明內(nèi)源性AHLs可能促進(jìn)關(guān)鍵酶的表達(dá)，提高EPS產(chǎn)量。此外，許多與代謝過程相關(guān)的蛋白，如在三羧酸（TCA）循環(huán)中起關(guān)鍵作用的檸檬酸合成酶，在沒有內(nèi)源性AHLs的情況下表達(dá)量下調(diào)，說明內(nèi)源性AHLs也會影響G. soli的代謝活性。加外源性AHL后，與電子轉(zhuǎn)移相關(guān)的NADH脫氫酶表達(dá)量上調(diào)3倍，這可能是由于添加外源性AHL后電流密度較高。綜上，內(nèi)源性和外源性AHLs對G. soli生物膜的電活性均有明顯的正向影響，外源性AHLs對個體G. soli蛋白表達(dá)的進(jìn)一步影響，誘導(dǎo)了優(yōu)勢電流生成。

 圖6 COG分析

文章小結(jié)

Geobacter soli GSS01可以分泌內(nèi)源性AHLs，提高外膜蛋白的相對豐度。內(nèi)源性AHLs通過促進(jìn)糖異生途徑的關(guān)鍵酶的表達(dá)影響EPS的形成。此外，內(nèi)源性AHLs在單個G. soli細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換、物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝等生理性能方面發(fā)揮著重要作用。外源AHLs進(jìn)一步促進(jìn)了G. soli生物膜中酰胺II的形成以及羰基與酰胺之間形成更強(qiáng)的氫鍵。本研究揭示了化學(xué)信號在Geobacter sp.體內(nèi)的重要性，為揭示內(nèi)源性和外源性AHLs的刺激機(jī)制提供了初步的科學(xué)依據(jù)。

 

解析文獻(xiàn)

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

 

相關(guān)服務(wù)

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