mBio：細菌對不同氮源的偏愛遵循“麻將規則”

　　 麻將是一種中國古人發明的，通過輪流吃進單張牌同時打出單張牌，比拼誰先“胡”牌（拼出某個特定組合的牌型）的博弈游戲。其核心規則在于選手吃進牌的時候，不僅要考慮進牌對自己的牌有益，而且更要考慮其后打出的那張牌不能有利于對手。這樣的規則往往導致選手寧肯不吃進好牌，也不給對手放出好牌，否則往往點“炮”，導致對手先“胡”牌。

　　傳統觀點認為實現生長速率最大化是細菌適應不同營養環境，在種群競爭中處于優勢地位的進化法則。諾貝爾生理和醫學獎得主Fran?ois Jacob曾經說“The “dream” of every cell is to become two cells”。北京大學生命科學學院王憶平課題組與美國、英國科學家的合作研究發現細菌對不同氮源的選擇及利用規律并不遵守生長速率最大化的進化法則，而遵循的是一個寧肯自己不吃進“好牌”，也不給對手放出“好牌”的“麻將規則”。

　　營養物質優劣通常是通過其支持細菌生長的快慢來衡量的。對于大腸桿菌來說，銨是最佳氮源，支持最大生長速率；而其它含氮化合物（如氨基酸等）屬于次等氮源，支持緩慢生長速率。為研究大腸桿菌對不同氮源“偏食性”的機理，王憶平課題組利用合成生物學方法對大腸桿菌基因組進行改造，構建了精氨酸運輸及分解代謝基因高表達的TCE-Arg菌株和谷氨酸運輸基因高表達的TCE-Glu菌株。發現上述工程菌株完全可以利用精氨酸和谷氨酸支持其快速生長，與野生菌在銨中的生長速率相當，從而證明氮源的優劣并不在于其能否支持細菌的快速生長；同時發現工程菌高效分解利用氨基酸所產生的碳骨架（如aKG等），并通過降低細胞內環腺苷酸的濃度，降低了細胞對環境中其它碳源的攝取和利用。這些結果再次印證了存在于細胞體內的碳、氮代謝調控系統之間的偶聯網絡關系。

　　進一步研究發現快速生長的工程菌并未使其在種群競爭中獲益。工程菌氨基酸代謝的增強導致銨作為“廢物”泄漏出體外，而銨作為優質氮源使共存的野生菌在氨基酸為氮源的環境中以相似的速率快速生長，抵消了工程菌的相對生長優勢。生長速率最大化對個體帶來的競爭優勢，完全可以因為營養物質泄漏給競爭對手所抵消。

　　大腸桿菌在漫長的進化過程中通過其氮代謝調控系統中的兩個負反饋通路犧牲了其對氨基酸的最大化利用率，從而保證了銨的最大利用率。該研究揭示了氮代謝調控系統通過抑制細菌對環境中次等氮源的吸收利用，導致細菌大幅度犧牲其在次等氮源中的生長速率，從而達到細胞內優質氮源不泄漏的目的。這也在某種程度上解釋了為什么自生及聯合固氮菌在有氨基酸的情況下，寧可進行高耗能的生物固氮作用，也不高效分解利用氨基酸的一個普遍的并且非常奇怪的生理現象。這個發現對進一步理解生物代謝及其調控系統的作用機理具有重要意義。該研究以“Deciphering the Principles of Bacterial Nitrogen Dietary Preferences: a Strategy for Nutrient Containment”為題于2016年7月19日在線發表在美國微生物學會頂級刊物《mBio》（DOI: 10.1128/mBio.00792-16）。該論文第一作者為王憶平課題組已畢業的博士研究生王吉龍，參與作者包括美國印第安納大學醫學院閻大來博士，英國JIC研究中心Ray Dixon教授和北京大學生命科學學院王憶平教授為該研究論文的共同通訊作者。該研究工作得到了科技部國家973重點基礎研究發展計劃，國家自然科學基金，蛋白質與植物基因研究國家重點實驗室，英國生物科學與生物技術研究基金會的資助。