題目：Chemical signals stimulate Geobacter soli biofilm formation and electroactivity
期刊：Biosensors and Bioelectronic
影響因子：8.173
研究背景
生物膜在污水處理系統中被廣泛應用，其中電化學生物膜（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的形成和調控對生物電化學系統（BES）性能至關重要。已有研究證明群體感應（Quorum sensing, QS）系統對BESs中EABs性能產生影響，N-?；呓z氨酸內酯（AHLs）是細菌調節群體感應的通信因子。目前Geobacter sp.的電化學活性和生物膜的形成是否受到AHLs的影響，以及Geobacter sp.是否產生內源性AHLs尚未見報道。
研究內容及結果
1. AHLs促進 Geobacter soli生物膜形成和電化學活性
作者分別用兩種外源AHLs，包括C6-HSL和3OC12-HSL，處理 Geobacter soli，發現和對照組相比，含外源AHLs的EABs與陽極相關的生物量最多，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的實驗組觀察到圖1中可見的成熟生物膜，同樣，添加?；负?，其生物量和生物膜形成均低于對照組，說明G. soli分泌的內源性AHLs和外源性AHLs具有相同的功能。
作者發現在AHLs存在下，BESs的啟動時間縮短，電流輸出增強（圖2a）。具有外源性AHLs和內源性AHLs的BESs在第4天開始出現明顯的電流峰值，只有內源性AHLs的BESs和沒有內源性AHLs的BESs分別在第12天和第20天達到初始電流峰值。為了證實?；傅?/span>AHLs降解功能，作者進行了AHLs和?；竿瑫r存在的處理組。以上實驗結果表明，外源性和內源性AHLs在BESs中發揮調節作用。
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?；肝匆娧趸€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的電化學阻抗譜（EIS）用于反映細胞外電子轉移過程，該過程涉及以電流輸出測量的總體電子轉移速率。在無內源性和外源性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的電荷轉移能力和電導率。
受電子能力（EAC）和供電子能力（EDC）可用于表征胞外聚合物（EPS）中電化學活性物質如外膜細胞色素C的電活性。如圖3所示，無內源性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EPS的氧化還原活性。綜上所述，結果表明內源性和外源性AHLs均能提高G. soli EABs的電化學活性。
圖1 CLSM結果
圖2 EABs電化學性能
圖3 EPS的EAC和EDC值
2. 外源性和內源性AHLs均促進膜表面蛋白形成
由于添加了?；傅膶嶒灲M生物膜的形成和電活性均低于對照組，因此，作者認為G. soli可以分泌內源性AHL，質譜鑒定證明了這一點（圖4）。電化學原位FTIR光譜可以識別生物膜形成過程中參與細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反應。條帶隨電位變化與細胞電極界面氧化還原反應有關，結果表明內源性AHLs可以提高外膜蛋白的相對豐度，外源性AHLs的加入能夠進一步促進G. soli生物膜中羰基與酰胺的形成，使與酰胺的氫鍵更強。
圖4 質譜檢測內源性AHLs
圖5 FTIR分析
3. 蛋白質組學揭示AHLs作用機制
接下來，作者選用SWATH-MS定量蛋白質組學技術研究單個細胞對AHLs反應的多種機制。發現內源性AHLs與外源性AHLs生物膜中分別有445和15個差異表達蛋白。COG功能注釋表明，暴露于酰基酶的生物膜下調蛋白多參與能量的產生與轉化、核苷酸的轉運與代謝、碳水化合物的轉運與代謝以及氨基酸的轉運與代謝。內源性AHLs可以影響上述過程中蛋白的表達水平，進而影響生物膜的形成。參與EPS生產的關鍵酶包括磷酸烯醇丙酮酸合成酶、三磷酸異構酶、葡萄糖-6-磷酸異構酶以及磷酸葡聚糖酶，這些關鍵酶在AHLs存在下表達量均顯著上調。這說明內源性AHLs可能促進關鍵酶的表達，提高EPS產量。此外，許多與代謝過程相關的蛋白，如在三羧酸（TCA）循環中起關鍵作用的檸檬酸合成酶，在沒有內源性AHLs的情況下表達量下調，說明內源性AHLs也會影響G. soli的代謝活性。加外源性AHL后，與電子轉移相關的NADH脫氫酶表達量上調3倍，這可能是由于添加外源性AHL后電流密度較高。綜上，內源性和外源性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蛋白表達的進一步影響，誘導了優勢電流生成。
圖6 COG分析
文章小結
Geobacter soli GSS01可以分泌內源性AHLs，提高外膜蛋白的相對豐度。內源性AHLs通過促進糖異生途徑的關鍵酶的表達影響EPS的形成。此外，內源性AHLs在單個G. soli細胞的能量轉換、物質轉運和代謝等生理性能方面發揮著重要作用。外源AHLs進一步促進了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的氫鍵。本研究揭示了化學信號在Geobacter sp.體內的重要性，為揭示內源性和外源性AHLs的刺激機制提供了初步的科學依據。
解析文獻
Xianyue Jing, Xing Liu, et al. Chemical signals stimulate Geobacter soli biofilm formation and electroactivity[J]. Biosensors and Bioelectronic, 2018, 127:1-9.