D-氨基酸在霍乱细菌应激诱导反应中发挥作用

霍乱细菌利用特定的D-氨基酸来逃避不利的生态位并形成复杂的生态系统。瑞典于默奥大学的一个研究小组领导的一项研究表明了这一点。这一发现最终可能对细菌感染的研究具有重要意义。该研究发表在《自然微生物学》杂志上。

于默奥大学分子生物学系教授FelipeCava表示：“这些发现加深了我们对细菌行为的了解，并可能影响操纵细菌种群或控制细菌感染的策略的制定。”

结果揭示了D-氨基酸在应激驱动的细菌趋化性中的新作用。利用最先进的技术，研究人员发现了一种以前未表征的化学感受器MCPDRK，它特异于D-精氨酸和D-赖氨酸。这些D-氨基酸作为有毒化合物和应激信号的双重功能表明它们在塑造微生物群落和影响生态位选择方面发挥着作用。

趋化性是细菌对环境信号做出反应并在周围环境中导航的能力，是一种普遍存在的现象，但人们对此仍知之甚少。虽然趋化途径的核心成分在细菌中是保守的，但触发趋化反应的特定信号在很大程度上仍然未知。这使得很难揭示决定细菌向有利环境导航或逃避有害条件的潜在因素。

虽然L-氨基酸作为信号分子的作用已被广泛研究，但其D-型对应物在趋化性中的精确功能仍然很大程度上未知。这些有趣的分子由L-氨基酸通过消旋酶产生，在各种细胞过程中发挥着多样化和特定的作用，包括细胞壁形成、生物膜稳定性、孢子萌发和细菌间相互作用。

霍乱弧菌是一种引起急性腹泻病霍乱的海洋细菌，它会向环境中释放高浓度的D-氨基酸。然而，它们在细菌行为中的具体作用仍未得到充分探索。在这项研究中，研究人员发现，不产生细胞外D-氨基酸的突变体表现出游泳能力下降。更深入的研究表明，D-精氨酸和D-赖氨酸是令人排斥的趋化信号。

“这种细菌具有非常复杂的趋化系统，其中至少包括45个化学感受器。因此，我们策略性地采用二维热蛋白质组分析而不是常用的诱变方法。这种策略使我们能够有效筛选和识别负责D-的特定化学感受器。精氨酸和D-赖氨酸传感，我们将其命名为MCPDRK，”瑞典于默奥大学分子感染医学实验室MIMS的OihaneIrazoki说道，他也是该研究的第一作者。

与两种D-氨基酸复合的感觉蛋白的结构表征允许鉴定关键配体结合残基并预测其他物种中的功能直系同源物。

“虽然我们的研究主要集中在霍乱弧菌，但MCPDRK在多个物种中是保守的，但其对D-精氨酸和D-赖氨酸的特异性似乎仅限于那些与广谱消旋酶转录相关的受体。因此，这些针对其他细菌物种的发现需要进一步调查，”OihaneIrazoki说。

该研究的一个重要发现是D-精氨酸在塑造微生物群落的生物多样性和结构动态方面的多方面作用。一方面，它充当清除潜在竞争对手的环境的机制，而另一方面，它协调社区向更有利的生态位迁移。

霍乱弧菌进化出了一种“战斗和逃跑”策略，其中编码D-精氨酸化学感受器和负责D-氨基酸生产的广谱消旋酶的基因串联定位在单个操纵子内。更有趣的是，这种排列是由应力西格玛因子RpoS控制的。通过同步生产D-精氨酸及其相应的MCP，霍乱弧菌建立了高效的应激反应机制，同时防止其在有利条件下无效激活。

“未来一个明显的问题是细菌如何整合D-氨基酸信号并将其置于背景中，作为令人眼花缭乱的环境趋化信号和受体网络的一部分。了解这一决策将有助于更深入地了解D-氨基酸的生态重要性使细菌适应压力，”FelipeCava教授总结道。