题目:Chemical signals stimulate Geobacter soli biofilm formation and electroactivity
期刊:Biosensors and Bioelectronic
影响因子:8.173
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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