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Nature Communications volume 14、記事番号: 3165 (2023) この記事を引用

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代謝的相互摂食は、生態学的多様性の促進において重要な役割を果たします。 一部の微生物は成長のために必須栄養素の交換に依存していますが、自由生活微生物の共存を支えるために必要な大規模な相互摂食を推進する力はほとんど理解されていません。 今回我々は、自己酸性化下の細菌の生理機能を特徴づけ、増殖停止後の主要な代謝産物の広範な排泄が、種間の協力的なストレス耐性メカニズムを提供することを証明する。 この協力は、同じ群集から隔離された種間だけでなく、相補的な（解糖系対糖新生系）代謝様式を持つ無関係な種間でも起こります。 このような群集の文化は、指数関数的増殖、酸性化による増殖停止、協調的脱酸、増殖回復からなる増殖 - 希釈サイクルの異なる段階を経て進行し、各段階には個々の種の生理学的状態の異なる組み合わせが含まれます。 私たちの発見は、生態学的モデルで一般的に描かれている生態系の定常状態の見方に疑問を投げかけ、異なる段階における相補的な種の成長の利点に基づいた代替の力学的な見方を提供します。

代謝的交差摂食は、微生物間の多くの肯定的な相互作用の根底にあります1、2、3。 よく研究されている交雑摂食の例の多くには、合成相補的栄養要求性4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、および指定された相互摂食など、必須の代謝機能について互いに依存している種が関与しています。共生生物14、15。 このような相互依存する細菌間の代謝協力の原動力は明らかである。なぜなら、細菌は必須代謝産物を自ら生成する能力を欠いており、増殖するには他の種から代謝産物を入手しなければならないからである。

しかし、自然界の多くの細菌は原栄養性、つまり「自由に生きている」細菌です。つまり、他の細菌の助けがなくても単純な基質上で増殖できます 16,17。 最近の研究では、増殖のための基質が 1 つまたは少数しか提供されていない合成細菌群集においても、多様な代謝産物の実質的な相互摂取が、多くの種の自然に存在する自由生活細菌の共存をサポートしていることが示されました 18,19,20。 このような場合、代謝的交差摂食は群集の多様性にとって不可欠であると認識されています。なぜなら、代謝的交差摂食がなければ、すべての種が外部から提供される少数の栄養素をめぐって直接競合し、競争排除原理に従ってそれらの栄養素でうまく成長する少数の種だけが生き残ることになるからです21。 、22。 しかし、代謝的相互摂食が競争排除の制約を緩和するためには、外部から提供される栄養素のかなりの部分が他の代謝産物の形で排泄され、その後、成長のために他の種によって取り込まれる必要がある。 たとえば、最終的な群集バイオマスの 50% が、環境から提供される炭素源を直接消費しない種で構成されている場合、提供された炭素源を直接消費する種は、吸収したものの 50% 以上を排泄する必要があります。 しかし、もし炭素がこの生物群集の成長を制限する栄養素であるなら、自由に生きている細菌が、自らの成長に必要なときにこの制限栄養素のこれほど多くの部分を排出する生理学的根拠は何でしょうか?

自由生活細菌は、遺伝子操作によって作られた内部ボトルネックなどを介して大量の代謝産物を排泄させられる可能性があり 23、その設計と達成は合成生物学の重要な目標である 24、25、26。 天然に存在する自由生活細菌が、自身の増殖中に大量の内因性代謝産物を排出することは一般に知られていません。 ただし、好気性発酵中のオーバーフロー代謝27、28、29、嫌気性脱窒中の硝酸塩/亜硝酸塩の排泄30、31、嫌気性消化槽における発酵生成物除去の複雑なカスケードなど、十分に文書化された少数のケースを除きます。 そのような場合でも、測定された排泄量はそれほど多くありません。 たとえば、グルコースで好気的に増殖する大腸菌の場合、約 5 mM/OD のグルコースが取り込まれ、約 2 ～ 3 mM/OD の酢酸が排泄され、排泄される炭素の割合は 20% 未満になります。 したがって、自由生活細菌間の代謝交差摂食の蔓延 18,19,20 は、現在私たちがほとんど知らない追加の推進力の存在を示唆しています。