Стресс

Nature Communications, том 14, номер статьи: 3165 (2023) Цитировать эту статью

2329 Доступов

1 Цитаты

4 Альтметрика

Подробности о метриках

Метаболическое перекрестное питание играет жизненно важную роль в обеспечении экологического разнообразия. Хотя рост некоторых микробов зависит от обмена необходимыми питательными веществами, силы, способствующие интенсивному перекрестному питанию, необходимому для поддержания сосуществования свободноживущих микробов, плохо изучены. Здесь мы характеризуем физиологию бактерий в условиях самоподкисления и устанавливаем, что обширное выделение ключевых метаболитов после остановки роста обеспечивает совместный межвидовой механизм устойчивости к стрессу. Такое сотрудничество происходит не только между видами, изолированными из одного сообщества, но также между неродственными видами с комплементарными (гликолитическим или глюконеогенным) способами метаболизма. Культуры таких сообществ проходят через отдельные фазы циклов роста-разбавления, включающие экспоненциальный рост, остановку роста, вызванную подкислением, совместное раскисление и восстановление роста, причем каждая фаза включает в себя различные комбинации физиологических состояний отдельных видов. Наши результаты бросают вызов взгляду на устойчивое состояние экосистем, обычно изображаемому в экологических моделях, предлагая альтернативный динамический взгляд, основанный на преимуществах роста дополнительных видов на разных фазах.

Метаболическое перекрестное питание лежит в основе многих положительных взаимодействий между микробами1,2,3. Многие хорошо изученные примеры перекрестного питания включают виды, важнейшие метаболические функции которых зависят друг от друга, включая синтетическую дополнительную ауксотрофию4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 и обозначенное перекрестное питание между симбионты14,15. Движущая сила метаболического сотрудничества между такими взаимозависимыми бактериями очевидна, поскольку они не способны сами генерировать необходимые метаболиты и для роста должны получать их от других видов.

Однако многие бактерии в природе являются прототрофными, или «свободноживущими», то есть могут расти на простых субстратах без помощи других16,17. Недавние исследования показали, что значительное перекрестное питание различных метаболитов поддерживает сосуществование многих видов встречающихся в природе свободноживущих бактерий даже в синтетических бактериальных сообществах, снабжаемых лишь одним или несколькими субстратами для роста18,19,20. В этих случаях метаболическое перекрестное питание признается необходимым для разнообразия сообщества, поскольку без него все виды напрямую конкурировали бы за небольшое количество питательных веществ, поставляемых извне, и только несколько видов, которые хорошо растут на этих питательных веществах, выживут в соответствии с принципом конкурентного исключения21. , 22. Однако для того, чтобы метаболическое перекрестное кормление ослабило ограничения конкурентного исключения, значительная часть поступивших извне питательных веществ должна будет выводиться из организма в форме других метаболитов и впоследствии поглощаться другими видами для их роста. Например, если 50% конечной биомассы сообщества составляют виды, которые не потребляют напрямую источник углерода, предоставляемый окружающей средой, это потребует от видов, непосредственно потребляющих предоставленный источник углерода, выделять более 50% того, что он поглощает. Однако, если углерод является питательным веществом, ограничивающим рост этого сообщества, какое физиологическое обоснование есть у свободноживущих бактерий, которые выделяют такую ​​большую часть этого ограничивающего питательного вещества, когда оно им необходимо для собственного роста?

Свободноживущие бактерии могут быть вынуждены выделять большие количества метаболитов, например, через внутренние узкие места, созданные генетическими манипуляциями23, разработка и достижение которых является важной целью синтетической биологии24,25,26. Обычно не известно, что встречающиеся в природе свободноживущие бактерии выделяют большое количество эндогенных метаболитов во время собственного роста; однако, за исключением нескольких хорошо документированных случаев, включая избыточный метаболизм во время аэробной ферментации27,28,29, выделение нитратов/нитритов во время анаэробной денитрификации30,31 и сложные каскады удаления продуктов ферментации в анаэробных варочных котлах32,33. Даже в этих случаях измеренные объемы выделений не являются подавляющими. Например, для E. coli, растущей аэробно на глюкозе, поглощается ~5 мМ/ОД глюкозы, а выделяется ~2–3 мМ/ОД ацетата, в результате чего доля выведенного углерода составляет менее 20%. Таким образом, распространенность метаболического перекрестного питания между свободноживущими бактериями18,19,20 предполагает существование дополнительных движущих сил, о которых мы в настоящее время мало знаем.