微生物竞争将新陈代谢的相互作用距离降低至低微米范围

细胞间的代谢相互作用影响微生物群落的组成，从而影响它们在生态系统中的功能。众所周知，在交换代谢物的竞争下，浓度梯度限制了相互作用发生的距离。

然而，相互作用距离通常是在二维系统中量化的，或者不考虑竞争或其他代谢物的去除，这些条件可能与自然生态系统并不经常相匹配。

近日，来自荷兰阿姆斯特丹大学分子和生命科学研究所的一项研究题为“Microbial competition reduces metabolic interaction distances to thelow μm-range”分析了细胞间距离对三维水体系中交换代谢物竞争的单向交叉喂食的影响。

该研究利用反应扩散模型计算有效相互作用距离，并通过在不同空间结构中生长1μm大小的代谢物生成、受体和竞争细胞的合成联合体进行实验验证。

研究发现，接收器不能与距离它们平均15μm的生产者相互作用，因为产品浓度梯度在靠近生产者细胞的地方变平。因此开发了一个聚合协议，并改变了受体细胞的产物亲和力，以表明在生产者-受体聚集体中，即使是低亲和力的受体细胞也可以与生产者相互作用。

研究结果表明，竞争或其他代谢物去除三维系统中的公共物品可将代谢相互作用距离缩短至低1µm范围，这突出了浓度梯度作为细胞相互作用物理约束的重要性。

背 景

在致密的生物膜（细胞之间为0 µm）以及海洋（细胞之间> 100µµm）中都观察到了微生物的相互作用，这表明细胞以不同的距离相互作用。这些相互作用影响环境中的选择压力，因此影响微生物群落的结构和演化。从全球生物地球化学通量到人类健康，这些群落在许多生态系统中都发挥着重要作用，因此了解和控制这些相互作用非常重要。

参与相互作用的代谢物或信号分子可通过依赖于接触和不依赖于接触的转移机制进行交换。依赖于接触的机制需要较短的细胞间距离，并使用例如细胞，囊泡链或纳米管之间的直接接触进行交换。

与接触无关的机制要求将产生的化合物被动或主动转运到细胞外空间，然后通过扩散和对流运动。

与接触无关的相互作用可以是局部的（主要是在相邻细胞之间），也可以是整体的（在整个种群内），这取决于浓度梯度的分布。例如，酿酒酵母利用其胞外酶转化酶分裂蔗糖，从而在细胞周围形成葡萄糖和果糖梯度。在高蔗糖浓度下，聚集的酵母细胞和单个酵母细胞都可以生长（全局相互作用），而在低蔗糖浓度下，只有聚集的酵母细胞可以生长（局部相互作用）。

对于乳酸乳球菌的细胞外蛋白酶观察到相似的模式，其活性导致细胞周围的肽梯度。在高细胞密度下，蛋白酶阳性和蛋白酶阴性细胞都生长，而在低细胞密度下，主要是蛋白酶阳性细胞生长，因为只有它们才能从其产生的肽中受益。

接触无关的相互作用是局部的还是全局的，取决于细胞间的距离和浓度梯度分布，而浓度梯度分布受代谢物来源、代谢物汇以及它们之间的扩散和对流速率的影响。例如，胞外环境中的代谢产物可以是细胞外环境中的代谢产物。

代谢物库可以是代谢物消耗细胞、代谢物降解酶、液体流量或系统体积，因为稀释会降低代谢物浓度。虽然在这些研究中，源和汇的确切性质往往只是含蓄地提到，但它们的重要性是众所周知的。例如，当细胞彼此靠近时，代价高昂的合作交互作用更有可能进化，因为合作者与野生型非合作者竞争排出的代谢物。

因此，相互作用的选择通常是通过在琼脂平板上共培养细胞来完成的，并且还描述了相互作用的细胞进化出聚集表型。

这些示例表明，在存在代谢物去除池的情况下，浓度梯度会限制可能发生相互作用的距离。然而，尚不清楚这种相互作用发生在多远的距离。先前的研究要么在二维系统中量化了这些距离，要么没有去除代谢物的沉陷，而天然微生物群落则生活在三维环境中，竞争的代谢物消费者和其他类型的消费者很有可能存在去除代谢物的场所。

因此，我们将计算和实验分析相结合，以提供更系统和定量的视角，研究细胞间距离对代谢相互作用在三个维度上的影响以及存在代谢物去除池的影响。我们专注于葡萄糖在静态水系统中的扩散。

反应扩散模型和实验结果表明，在这些条件下，受体细胞不能与固定在15μm平均距离的葡萄糖生成细胞相互作用。然而，即使由于受体葡萄糖输入系统的遗传变异而导致受体细胞对产品的亲和力较低，生产者-受体的聚集也会促进代谢相互作用。

这些结果表明，对于糖，有机酸和氨基酸的竞争或三维水系统中其他代谢物的去除，可将代谢相互作用距离降低至低µm范围。

实 验 方 法

一个综合性联合体的设计与三维空间结构的生长

研究人员分析了细胞和细胞之间的相互作用的三维信息（表1.4）。为了在实验上验证模型结果，用四种乳酸乳杆菌菌株构建了合成联合体。

（1） 一种吸收乳糖并在细胞内水解成葡萄糖和半乳糖的“生产者”。它被设计成不代谢葡萄糖，因此当细胞生长在半乳糖上时，葡萄糖就会分泌出来。

（2）一种表达绿色荧光蛋白的“受体”，可以吸收葡萄糖而不是乳糖生长。由于受试者只能靠葡萄糖生长，所以他们的生长表明他们所在位置的葡萄糖可用性。

（3） 一种“非生产商”会吸收乳糖。它同时利用葡萄糖和半乳糖部分进行生长，因此不分泌葡萄糖。

（4） “竞争性葡萄糖消费者”（图2A）。

为了在三维系统中共同培养这些细胞，将葡萄糖产生者和受体（单向交叉喂食者）封装在平均直径为40μm的固化琼脂糖珠中。选择乳酸菌是因为与其他模型生物（例如大肠杆菌，酿酒酵母）它的新陈代谢和生物量产量对氧气的变化不敏感，它可以在这些琼脂糖珠中达到高细胞浓度。对于阴性对照，葡萄糖产生者被葡萄糖“非生产者”取代。

细胞以单独的细胞或聚集体嵌入珠子中。在培养过程中，琼脂糖珠用油或CDM分。油分离阻止了葡萄糖从珠子扩散，因此每个琼脂糖珠作为一个单独的隔间。

研 究 结 论

总体而言，数据表明，在具有代谢物消耗池的三维系统中，可获得陡峭的浓度梯度，并且彼此之间平均相距15μm的细胞无法通过葡萄糖交叉补给进行相互作用。可以通过将细胞聚集在低µm范围内来克服这种物理限制，如通过细胞聚集（物理接触）所实现的。

在存在代谢物-水槽的情况下，涉及扩散系数与葡萄糖相似的分子的相互作用（例如其他糖，有机酸，氨基酸）要求细胞间距离在低µm范围内。一致地，许多细胞外底物降解酶附着在细胞上，从而使源（酶）靠近受体（细胞）。

转化酶例如位于酿酒酵母的周质空间中，乳酸乳球菌的蛋白酶附着在细胞壁上，在真菌和细菌中，纤维素体也附着在细胞壁上。

Hauert等认为，当生产者也从自己的产品中受益时（例如细胞外酶），只有当酶的生产成本很高时，细胞的空间结构定位才是有利的。

因此，细胞外酶在细胞壁上的附着表明这些酶是昂贵的。这与巴赫曼（Bachmann）等人的观点一致，他在乳酸乳球菌中显示，蛋白酶阴性菌株与细胞壁结合的蛋白酶的竞争优于蛋白酶阳性菌株，除非它们的间隔大于1mm（细胞密度低于10³个细胞/ mL）。

图一：二维和三维反应扩散系统中的预测浓度梯度

在存在和不存在代谢物池的情况下，将产生葡萄糖的细胞置于二维或三维空间中。通过改变扩散系数模拟了不同的环境。葡萄糖在水中的扩散系数（Ds）设置为6.7×10^-10，生物膜中的葡萄糖扩散系数（D_{eff，biofilm，s}）设置为Ds的0.25倍，并且扩散将菌落中的葡萄糖系数（D_{eff，biofilm，s}）设置为Ds的0.10倍。

在COMSOL Multiphysics中，一项与时间有关的研究在数分钟内产生了浓度梯度该图显示了孵育5小时后穿过生产细胞的水平线上的浓度。

为了提高可见度，两个图都将x轴范围设为相似，因此对于二维系统，仅显示了部分浓度梯度曲线。水平虚线表示浓度为10μM。

图二：三维空间结构环境中的代谢相互作用

A 用于合成合成菌群的四种乳酸乳球菌菌株：

（1）吸收乳糖并分泌葡萄糖的“生产者”

（2）吸收葡萄糖并表达GFP的“接收者”

（3）“非生产者”  “摄取乳糖但不分泌葡萄糖的”和“竞争葡萄糖的消费者”

（4）摄取葡萄糖（补充信息第2节，图S3）。

B 琼脂糖珠内的三维空间结构。

细胞之间15μm的距离相当于3×10⁸细菌/ mL的均匀分布。显微图像显示聚集体，出于可见性原因，表达GFP的细胞被非荧光细胞包围。实验中使用的聚集体形成相反的方向：（非）生产者细胞被表达GFP的受体包围。

C 琼脂糖珠之间的三维空间结构。

聚集体仅在存在竞争性葡萄糖消耗剂的情况下孵育。

图3：葡萄糖转运蛋白亲和力和Vmax对受体反应的影响。

较大的化合物（如酶）具有较低的扩散系数，预计在存在代谢物汇的情况下，相互作用距离会增加。但是，这里的浓度梯度也会影响相互作用中涉及的分子机制的演变。

大型聚集性资源（如颗粒铁（> 0.4µm））的缓慢扩散会导致例如细胞内铁的吸收受到限制。

因此，可以推测细胞通过分泌与铁颗粒结合的铁载体，提取铁离子并随后形成快速扩散的铁-铁载体络合物来提高铁的吸收速率。

研 究 意 义

代谢物的交换是活细胞的关键特征，是细胞外营养物质代谢和与其他细胞相互作用的基础。这项研究指出了浓度梯度可能会影响细胞相互作用的限制因素和机会，以及会如何影响它们的进化及其在微生物聚生体中的作用，这些为未来研究人员理解和指导微生物的互作提供了证据视角。

参考文献：

van Tatenhove-Pel Rinke J,Rijavec Tomaž,Lapanje Aleš et al. Microbial competition reduces metabolic interaction distances to the low µm-range.[J] .ISME J, 2020, undefined: undefined.