近日，我校生命科學(xué)學(xué)院劉偉杰/劉聰團(tuán)隊(duì)以我校為第一完成單位在自然指數(shù)期刊PNAS上發(fā)表題為“Local c-di-GMP signaling, triggered by cross-regulation of cAMP-CRP and c-di-GMP, controls biofilm formation under nutrient limitation”的長(zhǎng)篇研究論文，揭示了細(xì)菌響應(yīng)營(yíng)養(yǎng)信號(hào)調(diào)控生物被膜的分子機(jī)制。我校生命科學(xué)學(xué)院孫地副教授、南京理工大學(xué)劉小波教授和北京理工大學(xué)張瑩教授為共同第一作者，我校時(shí)蕊、汝昀睿、周徐鴿、陳穎、楊婧等5名研究生以及劉佳文、朱靜榕老師參與本項(xiàng)研究，我校劉聰副教授與劉偉杰教授為通訊作者。

在自然界中，不同環(huán)境的營(yíng)養(yǎng)狀況差異極大，微生物要在營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)劇烈波動(dòng)的環(huán)境中生存，必然有一套可以快速響應(yīng)不同環(huán)境營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的分子機(jī)制。腸桿菌不僅可以生活在營(yíng)養(yǎng)豐富的哺乳動(dòng)物腸道中，也能在營(yíng)養(yǎng)貧乏的水體環(huán)境中生存。海洋細(xì)菌既可生活在富營(yíng)養(yǎng)化的沿海地區(qū)，也可生活在寡營(yíng)養(yǎng)的遠(yuǎn)海。因此，快速適應(yīng)不同營(yíng)養(yǎng)環(huán)境的能力對(duì)微生物的生存至關(guān)重要。細(xì)菌有多種核苷酸類(lèi)第二信使，是其響應(yīng)環(huán)境信號(hào)調(diào)節(jié)細(xì)菌生理過(guò)程以適應(yīng)不斷變化的自然環(huán)境的重要分子。第二信使cAMP和c-di-GMP是細(xì)菌中的全局調(diào)控因子，能夠響應(yīng)環(huán)境信號(hào)調(diào)控細(xì)菌的多種生理活動(dòng)。然而，關(guān)于cAMP與c-di-GMP交叉調(diào)控的研究卻極其有限。

生物被膜是微生物粘附于固體表面并分泌大分子胞外基質(zhì)，將菌體包裹其中而形成的膜狀物，是細(xì)菌在自然界中常見(jiàn)的群居生存狀態(tài)。細(xì)菌形成生物被膜是菌體響應(yīng)外界逆境的生存策略，直接影響人類(lèi)生產(chǎn)生活的各個(gè)方面，因此細(xì)菌形成生物被膜分子機(jī)制的研究一直是微生物領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。生物被膜的形成周期包括四個(gè)階段：起始吸附，形成微菌落，生物被膜成熟，生物被膜解散。劉偉杰/劉聰團(tuán)隊(duì)前期發(fā)表在Nature Communications上的研究發(fā)現(xiàn)，cAMP與c-di-GMP通過(guò)其受體蛋白CRP與BpfD直接互作交叉調(diào)控腐敗希瓦氏菌成熟生物被膜的穩(wěn)定性 (https://www.nature.com/articles/s41467-022-29240-5)，但這種交叉調(diào)控對(duì)前期生物被膜形成階段的影響未被揭示，本研究在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了有針對(duì)性的延伸工作。

在革蘭氏陰性菌中，無(wú)論菌體生長(zhǎng)在營(yíng)養(yǎng)豐富環(huán)境中還是營(yíng)養(yǎng)貧乏環(huán)境中，c-di-GMP均是調(diào)控浮游生長(zhǎng)和生物被膜切換的開(kāi)關(guān)分子。但在不同營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中，c-di-GMP對(duì)生物被膜的調(diào)控作用是否存在差異尚不清楚。本研究發(fā)現(xiàn)在營(yíng)養(yǎng)貧乏環(huán)境中，cAMP-CRP和c-di-GMP在轉(zhuǎn)錄和翻譯后水平交叉調(diào)控生物被膜的發(fā)展。這個(gè)調(diào)控模型表明，在不同的營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中，細(xì)菌生物被膜的形成對(duì)胞內(nèi)總c-di-GMP含量的敏感度不同。在營(yíng)養(yǎng)豐富環(huán)境中，菌體需要合成大量的c-di-GMP分子才能維持高水平的生物被膜，這使得菌體更傾向于利用豐富的營(yíng)養(yǎng)進(jìn)行浮游生存。而當(dāng)外界環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)貧乏時(shí)，菌體通過(guò)cAMP-CRP與c-di-GMP的交叉調(diào)控，使菌體在胞內(nèi)c-di-GMP含量有限的情況下快速形成生物被膜，最終維持生存。

cAMP和c-di-GMP不同營(yíng)養(yǎng)環(huán)境下交叉調(diào)控生物被膜形成的模式圖

第二信使cAMP和c-di-GMP在細(xì)菌中普遍存在，腐敗希瓦氏菌的cAMP受體蛋白CRP與大腸桿菌和霍亂弧菌的CRP蛋白同源性高達(dá)88%。c-di-GMP磷酸二酯酶LrbR含有保守的EAL結(jié)構(gòu)域，c-di-GMP受體蛋白BpfD含有退化的GGDEF和EAL結(jié)構(gòu)域，這兩種結(jié)構(gòu)域在細(xì)菌中也普遍存在。這說(shuō)明本研究揭示的調(diào)控模型可能在細(xì)菌中普遍存在。更重要的是，不同營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中生物被膜的調(diào)節(jié)模型差異的發(fā)現(xiàn)為今后針對(duì)性地防控不同營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中生物被膜的形成提供理論依據(jù)。

該研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金，江蘇省自然科學(xué)基金，國(guó)家空間科學(xué)與應(yīng)用基金和徐州市基金等項(xiàng)目的資助。

劉偉杰-劉聰團(tuán)隊(duì)教師合照

劉聰，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事細(xì)菌形成生物被膜的分子機(jī)制研究。主持國(guó)家自然科學(xué)面上項(xiàng)目和青年基金各1項(xiàng)，江蘇省自然科學(xué)面上項(xiàng)目1項(xiàng)，在Nature Communications、PNAS、Applied and Environmental Microbiology等期刊上發(fā)表SCI論文25篇，獲得發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)2項(xiàng)。

劉偉杰，教授，博士生導(dǎo)師，先后入選江蘇省“333工程”中青年學(xué)術(shù)帶頭人、江蘇省“六大人才高峰”高層次人才、江蘇省“青藍(lán)工程”優(yōu)秀青年骨干教師、徐州市“十大青年科技獎(jiǎng)”獲得者。獲得教育部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)和江蘇省高?？萍汲晒泉?jiǎng)。主持國(guó)家空間科學(xué)與應(yīng)用項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)面上項(xiàng)目2項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)青年基金1項(xiàng)，省部級(jí)項(xiàng)目5項(xiàng)、市級(jí)項(xiàng)目4項(xiàng)；以第1或通訊作者在Nature Communications、Nature Chemical Biology、Microbiome和PNAS等雜志上發(fā)表SCI論文40余篇；以第一專(zhuān)利人獲得發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)7項(xiàng)。

論文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2516964122

（一審：錢(qián)進(jìn)，二審：吳向裕，三審：殷子鈺）