스트레스

Nature Communications 14권, 기사 번호: 3165(2023) 이 기사 인용

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대사 교차 수유는 생태적 다양성을 촉진하는 데 중요한 역할을 합니다. 일부 미생물은 성장을 위해 필수 영양소 교환에 의존하지만, 자유 생활 미생물의 공존을 지원하는 데 필요한 광범위한 교차 공급을 촉진하는 힘은 잘 알려져 있지 않습니다. 여기에서 우리는 자가 산성화 하에서 박테리아 생리학을 특성화하고 성장 정지 후 주요 대사 산물의 광범위한 배설이 스트레스 저항의 협력적, 종간 메커니즘을 제공한다는 것을 확립했습니다. 이러한 협력은 동일한 군집에서 분리된 종 사이뿐만 아니라 상보적인(당분해 대 포도당 생성) 대사 방식을 가진 관련 없는 종 사이에서도 발생합니다. 그러한 공동체의 문화는 기하급수적 성장, 산성화로 인한 성장 정지, 공동 탈산화 및 성장 회복으로 구성된 성장-희석 주기의 뚜렷한 단계를 통해 진행되며, 각 단계에는 개별 종의 생리학적 상태의 다양한 조합이 포함됩니다. 우리의 연구 결과는 생태 모델에서 일반적으로 묘사되는 생태계의 정상 상태 관점에 도전하여 여러 단계에서 보완적인 종의 성장 이점을 기반으로 하는 대안적인 역학 관점을 제공합니다.

대사 교차 공급은 미생물 간의 많은 긍정적인 상호 작용의 기초가 됩니다1,2,3. 잘 연구된 교차 공급에 대한 많은 사례에는 합성 보완적 영양요구4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 및 지정된 교차 공급을 포함하여 필수 대사 기능을 위해 서로 의존하는 종들이 포함됩니다. 공생체14,15. 이러한 상호 의존적 박테리아 사이의 대사 협력의 원동력은 분명합니다. 왜냐하면 필수 대사 물질 자체를 생성하는 능력이 부족하고 성장하려면 다른 종으로부터 이를 얻어야 하기 때문입니다.

그러나 자연에 존재하는 많은 박테리아는 원영양성 또는 "자유 생활"을 합니다. 즉, 다른 박테리아의 도움 없이 단순한 기질에서 자랄 수 있습니다16,17. 최근 연구에 따르면 다양한 대사산물의 실질적인 교차 공급이 자연적으로 발생하는 많은 종의 자유 생활 박테리아의 공존을 지원하는 것으로 나타났습니다. 심지어 성장을 위한 하나 또는 소수의 기질이 제공되는 합성 박테리아 공동체에서도 마찬가지입니다18,19,20. 이러한 경우, 대사 교차 먹이는 공동체 다양성에 필수적인 것으로 인식됩니다. 왜냐하면 교차 먹이가 없으면 모든 종은 외부에서 제공되는 소수의 영양분을 놓고 직접 경쟁할 것이고 이러한 영양분에서 잘 자라는 소수의 종만이 경쟁 배제 원칙에 따라 생존할 것이기 때문입니다21 ,22. 그러나 경쟁적 배제의 제약을 완화하기 위한 대사 교차 공급의 경우 외부에서 제공되는 영양소의 상당 부분이 다른 대사산물의 형태로 배설되어야 하며 이후 다른 종의 성장을 위해 흡수되어야 합니다. 예를 들어, 최종 공동체 바이오매스의 50%가 환경적으로 제공되는 탄소원을 직접 소비하지 않는 종으로 구성되어 있다면, 제공된 탄소원을 직접 소비하는 종은 차지하는 탄소원의 50% 이상을 배설해야 합니다. 그러나 탄소가 이 군집의 성장을 제한하는 영양소라면, 자유 생활 박테리아가 자신의 성장을 위해 필요할 때 이 제한 영양소의 상당 부분을 배설하는 생리학적 근거는 무엇입니까?

자유 생활 박테리아는 예를 들어 유전자 조작에 의해 생성된 내부 병목 현상을 통해 대량의 대사산물을 배설하도록 강제될 수 있으며, 그 설계 및 달성은 합성 생물학의 중요한 목표입니다. 자연적으로 발생하는 자유 생활 박테리아는 일반적으로 자체 성장 중에 다량의 내인성 대사산물을 배설하는 것으로 알려져 있지 않습니다. 그러나 호기성 발효 중 오버플로 대사27,28,29, 혐기성 탈질 중 질산염/아질산염 배설30,31 및 혐기성 소화기32,33에서 발효 생성물 제거의 복잡한 계단식을 포함하여 잘 문서화되어 있는 몇 가지 사례를 제외합니다. 이러한 경우에도 측정된 배설량은 압도적이지 않습니다. 예를 들어, 포도당에서 호기성으로 성장하는 대장균의 경우 ~5mM/OD의 포도당이 흡수되는 반면 ~2~3mM/OD의 아세테이트는 배설되므로 배설된 탄소의 비율은 20% 미만이 됩니다. 따라서 자유 생활 박테리아 사이의 대사 교차 공급이 만연한다는 것은 우리가 현재 거의 알지 못하는 추가적인 추진력이 존재함을 시사합니다.