驱动原核生物趋化性的代谢物图谱

在这项荟萃分析中，作者将60年来的趋化性研究结果汇编到一个原核化学效应物的数据库中，比较和分析它们作为引诱剂、驱避剂或中性化合物的作用，以及对其作出反应的微生物的趋化行为。

　　

原核生物趋化作用代谢物图谱研究解读

悉尼科技大学气候变化研究小组的 Maéva Brunet 等人在Nature Communications期刊上发表了题为 “An atlas of metabolites driving chemotaxis in prokaryotes” 的论文。该研究对过去 60 年有关原核生物趋化作用的研究进行整合分析，构建了全面的数据库，揭示了影响原核生物趋化行为的化学物质特征，为深入理解微生物行为和生态过程提供了关键信息，对微生物生态学和相关领域研究具有重要的指导意义。

一、研究背景

在微生物生存的微观尺度环境中，存在着强烈的物理化学异质性。细胞裂解、分泌、排泄或腐烂等过程会释放化学物质，形成溶质浓度远高于周围环境的热点区域。部分化学物质携带丰富信息，微生物借此感知周围环境，包括识别同类、竞争对手、宿主或寻找食物来源。原核生物的趋化作用在其生存和生态过程中至关重要，它不仅是微生物获取营养的觅食策略，还对种群扩张、生物膜形成、共生关系建立以及致病性发挥等起到关键作用，同时也影响着诸多生态过程，如初级生产力、生化转化速率、气候活性分子产生、生长限制元素循环以及土壤和沉积物中碳的长期储存等。

自 Julius Adler 60 多年前首次对趋化作用进行定量研究以来，众多实验室通过毛细管法、基于琼脂糖的检测法以及微流控装置等多种方法，在实验室条件下开展了大量趋化作用检测实验，还将相关检测应用于自然环境中。这些研究虽然鉴定出许多吸引或排斥运动细菌和古菌的化合物，但这些知识分散在数百篇文献中，目前缺乏对驱动原核生物趋化作用的分子类别和特征的统一认识。随着微生物间化学信号识别能力的提升和环境中微生物行为探测技术的发展，对以往趋化作用研究进行整合分析，进而指导未来研究显得尤为重要。

二、研究材料与方法

（一）文献检索与筛选

研究人员于 2024 年 6 月在谷歌学术上使用 “chemotaxis assays bacteria” 和 “chemotaxis assays archaea” 作为检索词进行全面的文献检索，并收集相关出版物中引用的研究。筛选标准为：报告了对原核生物（细菌和古菌）趋化作用进行量化的原始数据，且使用了已鉴定的化学物质，同时仅收集野生型菌株的数据。最终纳入 341 篇文献用于构建趋化作用数据库。

（二）数据库构建

构建了两个数据库，分别记录作为吸引剂和排斥剂测试的化合物。每个数据库条目记录化合物对特定原核生物菌株是吸引（“+”）、排斥（“?”）还是无趋化作用（“0”）。此外，数据库还包含丰富的背景信息，如化合物的化学式、分子量、化学分类（依据人类代谢组数据库 HMDB 5.0 的分层分类体系），原核生物菌株的分离环境（分为人类 / 动物、陆地、淡水、海洋和污染环境 5 种生物群落），以及趋化作用检测的实验方法参数（如检测类型、细胞计数方法、孵育时间）、菌株利用化学物质生长的能力、测试的化学物质浓度范围、阈值和最佳浓度、趋化指数等信息。

（三）极性估计

对于 70 种最常测试的化合物，使用 4 种不同参数估计其极性，包括偶极矩、各向同性极化率体积、极化密度和亲水亲油平衡（HLB）。利用高斯 09 软件在 B3LYP/6 - 311++g (d,p) 理论水平下进行密度泛函计算以评估偶极矩、各向同性极化率体积和极化密度，并考虑水的溶剂化效应；使用 MarvinSketch 软件模拟 HLB，以衡量分子的亲水性 / 疏水性。

（四）统计分析

若一种化学物质在至少 50% 的测试菌株中表现出吸引或排斥作用，则被视为效应物；将不明确和可变的趋化作用（“0/+” 或 “0/?”）视为无作用。诱导趋化作用检测（即测试菌株最初与化合物一起生长，随后将该化合物作为效应物进行测试）的数据不纳入分析。使用 R 统计软件及相关软件包进行数据分析和绘图，通过 Student's t 检验评估吸引剂和排斥剂响应的差异，采用单因素方差分析（ANOVA）和 Tukey's HSD 事后检验，探究菌株来源（生物群落）对吸引化学物质比例的影响，利用 Pearson 相关性分析菌株对特定化学物质的吸引比例与 4 种极性参数之间的关系。

三、研究结果

（一）60 年趋化作用检测方法概述

在 341 项研究中，72% 的研究进行了定量趋化作用检测（如计数细胞或测量细胞速度）。毛细管法是最常用的检测方法，在 213 篇文献中使用（占所有研究的 63%），但该方法存在重复性问题。其他方法包括在软琼脂平板上监测趋化细胞（主要用于定性观察响应）、基于小室的检测和微流控检测等。细胞定量主要通过平板培养趋化细胞（占定量研究的 62%）或显微镜图像分析（占定量研究的 29%）完成。值得注意的是，77% 的文献仅研究了吸引作用。

（二）吸引剂的特征

1. 化合物种类与分子量：共鉴定出 806 种被测试为潜在吸引剂的化合物，其中有机化合物 733 种，无机化合物 73 种。有机化合物分布在 13 个超类中，测试最多的是有机酸（占有机化合物的 26%）、有机氧化合物（21%）、苯类（20%）、脂质（9%）和有机杂环化合物（7%）。测试化合物的分子量分布不均，83% 为低分子量（<300 g/mol）化合物，中等分子量（300 - 1000 g/mol）和高分子量（>1000 g/mol）化合物分别仅占 14% 和 2%，且许多中高分子量化合物仅在一种原核生物菌株上进行了测试。尽管如此，38% 的中高分子量化合物仍能吸引至少一种菌株，表明其在趋化作用中可能具有重要作用，不应被忽视。
2. 极性影响：通过对 70 种常见化合物极性的研究发现，碳水化合物吸引菌株的比例与所测极性参数均无相关性，而氨基酸吸引菌株的比例与偶极矩（ρ = -0.45，p = 0.03）和各向同性极化率体积（ρ = -0.69，p < 0.001）呈负相关，说明化学极性可能影响对氨基酸的趋化作用，但由于碳水化合物极性值相似，需在更广泛的化合物范围内进一步确认。
3. 不同化合物的吸引能力差异：并非所有化合物对原核生物的吸引能力相同。氨基酸和肽（66% 能吸引至少一半测试菌株）、苯类子类（>67%）和嘌呤（91%）对原核生物吸引力较强，而碳水化合物（35%）和醇及多元醇（14%）吸引能力较弱。部分化合物总是产生相同的吸引效果，如 D - 葡萄糖醛酸和氯化铁从未吸引过原核生物，而苹果酸（DL - 型和未知构型）、藻酸盐、儿茶酚和木犀草素等总是触发吸引。
4. 光学异构体的影响：趋化反应受光学异构体影响。许多细菌和古菌菌株对特定的 L - 氨基酸有吸引反应，对其 D - 型异构体无反应或反应阈值浓度高 100 - 1000 倍。但天冬氨酸是个例外，其 L - 型和 D - 型异构体在许多测试菌株中均为吸引剂。此外，苹果酸的 L - 型和 DL - 型比 D - 型更能吸引菌株，而一些单糖如阿拉伯糖、阿糖醇、岩藻糖、半乳糖和来苏糖，其两种对映体的吸引行为相似，这可能与环境中不同对映体的相对丰度有关。
5. 吸引剂的功能分类：吸引剂可分为仅作为底物维持生物量生产、仅作为信号帮助细胞到达特定环境以及兼具底物和信号分子双重作用 3 种类型。分析表明，如果菌株对某种化学物质有吸引反应，73% 的情况下该菌株能将其作为碳源利用；当化学物质对菌株趋化行为无影响时，这一比例降至 34%。在不支持目标菌株生长的化合物中，44% 仍能诱导吸引，不同化学子类的这一比例有所差异。

（三）被这些代谢物吸引的原核生物

1. 分类与分布：研究收集了超过 384 种运动性原核生物菌株的趋化吸引行为数据，这些菌株属于至少 153 个不同物种和 83 个属。其中，γ - 变形菌纲成员最多（207 株，占 53%），其次是 α - 变形菌纲（60 株，占 16%）、β - 变形菌纲（27 株，占 7%）和芽孢杆菌纲（28 株，占 7%）。研究最多的属包括假单胞菌属、大肠杆菌属、芽孢杆菌属和弧菌属。相比之下，古菌趋化作用研究较少，仅 9 篇文献测试了 9 株古菌（5 个属），主要为嗜盐古菌。
2. 菌株来源与趋化反应差异：测试的原核生物菌株最初分离自多种环境，主要包括陆地（56%）、海洋（14%）和人类 / 动物（12%）生物群落。陆地菌株对更多化学物质表现出趋化行为（平均 72%），显著高于人类 / 动物菌株（50%），可能是因为人类 / 动物菌株基因组中化学感受器数量较少。此外，陆地菌株对有机酸尤其是氨基酸的趋化反应更为强烈，而海洋菌株对有机氧化合物中碳水化合物的吸引比例相对较低。

（四）排斥作用的影响

1. 研究现状与化合物特征：趋化排斥作用的研究相对有限，仅 77 篇文献研究了 421 种化学物质的排斥作用。其中一半研究在从人类 / 动物生物群落分离的肠道菌株上进行，导致对该生物群落菌株测试的化学物质较多（317 种），而对海洋（79 种）、陆地（67 种）、淡水和污染栖息地菌株测试的化学物质较少。共 186 种化学物质被报道为排斥剂，数量仅为吸引剂的三分之一。与吸引剂类似，测试的排斥剂中低分子量化合物占 88%，且中高分子量化合物作为排斥剂的比例（36%）与低分子量化合物（38%）相近，表明大分子在趋化排斥中也可能起关键作用。
2. 不同化合物的排斥能力差异：有机化合物中，有机酸（占有机化合物的 29%）、苯类（19%）、有机氧化合物（18%）、脂质（11%）和有机杂环化合物（11%）是测试最多的排斥剂。部分化合物如苯甲酸、硝基酚、卤酚和苯肼等常被鉴定为强效排斥剂，而碳水化合物（4%）和氨基酸（17%）表现出排斥作用的比例较低。
3. 吸引剂与排斥剂的浓度阈值差异：对比吸引剂和排斥剂数据库发现，引发趋化作用的排斥剂浓度阈值平均比吸引剂高 10 倍。但由于排斥作用阈值浓度测定主要在大肠杆菌和枯草芽孢杆菌上进行，且不同趋化检测方法灵敏度不同，该比较应谨慎对待。此外，许多排斥剂对目标菌株有害，但并非所有排斥剂都有毒性，部分可能作为化学信号发挥作用，目前对排斥剂的检测机制和生态作用了解有限。

（五）趋氧性

研究鉴定出 19 个属的 46 种原核生物菌株（45 种细菌和 1 种古菌）进行了趋氧性测试，其中只有 2 株根瘤菌属菌株不具有趋氧性，表明趋氧性在测试的原核生物中广泛存在。氧气对至少 22 种菌株既可以作为吸引剂，也可以作为排斥剂，这些菌株会向适宜的氧气浓度迁移，避开不适宜的浓度。

四、研究结论与讨论

（一）研究结论

该研究整合了 60 年的原核生物趋化作用检测数据，构建了趋化效应物数据库，系统分析了影响原核生物趋化行为的化学物质特征。研究发现不同化学类别引发趋化作用的能力不同，氨基酸和苯类是强吸引剂，碳水化合物吸引能力较弱；化学结构方面，对映体的趋化反应差异明显，且可能与环境中对映体的丰度有关；约三分之一的吸引剂不被用作能源或碳源，仅作为信号分子；原核生物的生物群落来源对趋化作用有一定影响，陆地菌株通常比其他原核生物反应更强；吸引剂引发趋化作用的浓度阈值比排斥剂低一个数量级。

（二）研究意义与展望

该研究的综合分析揭示了当前原核生物趋化作用研究中的 5 个重要知识空白。一是对大分子（如碳水化合物或蛋白质）的趋化作用研究不足，尽管其在有机物质热点区域普遍存在且具有重要信号作用，但测试的分子多样性较低；二是对引发排斥作用的化学物质理解有限，且研究主要集中在肠道生物群落；三是古菌趋化行为研究较少，鉴于古菌在自然环境中的重要性以及与细菌在运动和趋化机制上的差异，需要加强对古菌趋化反应的研究；四是对变形菌门以外细菌的趋化行为研究较少，如拟杆菌门在生物地球化学过程中具有关键作用，但相关研究较少；五是目前趋化作用研究多关注单一化学物质的影响，无法反映环境中化学热点区域多种代谢物协同作用的复杂性，未来需研究原核生物对多种化学物质混合物的反应。

趋化作用是微生物的重要行为，对物种间相互作用、食物网动态和生物地球化学循环具有重要意义。该研究提供的趋化效应物数据库和综合分析结果，为未来研究微生物群落结构的化学调控机制提供了重要资源，有助于深入理解微生物生态学过程，指导相关领域的进一步研究。