Nature Communications:基因组最小的细菌胃口最大_机器学习

许多细菌无法产生生长所需的氨基酸,而必须从周围环境中获取。这篇文章揭示了哪些栖息地蕴藏着较大比例的此类营养缺陷型细菌,并表明营养缺陷与基因组精简有关。

在人体中,有 9 种必需的氨基酸是人类无法生产的,因此我们要依靠食物来提供这些氨基酸。在微生物世界中也一样,有一些微生物种群能生产所有氨基酸,而有些微生物种群则需要依靠从环境中获取这些氨基酸。在某些环境中,资源非常稀缺,微生物无法直接从周围环境中获取氨基酸,它们需要自己生产所有氨基酸。另一些环境资源丰富,一些微生物可以不生产生长所需的所有氨基酸(即所谓的氨基酸基因缺陷型),因为这些氨基酸可以很容易地从周围环境中获得。合成氨基酸需要付出新陈代谢的代价,因此,如果可以避免这种代价,微生物会随着时间的推移失去合成某些氨基酸的能力。为什么要为免费获得的东西付出代价呢?

我们之所以要研究氨基酸营养缺陷型的微生物,是因为我们对氨基酸营养缺陷型在微生物多样性中的普遍性知之甚少,而且是否有特定的生境选择了氨基酸营养缺陷型仍不清楚。我们想知道氨基酸营养缺陷型在微生物群落中的普遍程度、哪些细菌具有氨基酸缺陷、在哪些地方最有可能发现氨基酸缺陷型微生物以及与氨基酸营养缺陷相关的其他细菌性状。解开这些谜团将有助于深入了解微生物的环境适应性,正是这些环境适应性使它们在地球生态系统中如此成功。

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任何生物体的基因组中都烙印着生产氨基酸和其他必需化合物的能力。如果我们知道参与生产氨基酸的基因,就可以根据这些基因在任何特定基因组中的存在推断出生产这些氨基酸的能力。这并非易事,因为参与这些代谢的许多基因仍是未知的。不过,新的基因组注释工具使我们能够对细菌的氨基酸代谢进行推断。在这项研究中,利用存储在超过 26,000 个基因组中的信息,预测了多种细菌的氨基酸生产能力,并分析了 12 个常见微生物栖息地的细菌群落的氨基酸合成能力。这些栖息地包括土壤、海洋、湖泊、人体和植物微生物群、水处理厂,甚至奶酪或酸面团等食物(超过 3800 个样本)。

我们知道,微生物种群间会形成相互作用网络,经常交换代谢产物。因此,往往会认为无法生产氨基酸的现象在细菌世界中普遍存在,但事实真的如此吗?可能并非如此。我们发现,大多数细菌(78%)可能都能生产它们生长所需的所有氨基酸(图 1A),尽管在大多数细菌家族成员中都能观察到氨基酸营养缺陷的现象。与进化理论相一致,我们发现,在氨基酸含量较高的环境中,那些无法自行合成氨基酸的细菌会受到青睐。例如,发酵食品和人体肠道都是富含氨基酸的环境,而这些环境中通常会滋生许多营养缺陷型细菌。原因很简单--如果微生物可以随时享用全天候开放的 自助餐,食物丰富且永不枯竭,那么微生物生产氨基酸就没有任何优势,因为它可以轻松地从周围环境中获得氨基酸。

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图 1. A) 氨基酸辅助营养体在细菌中的普遍存在。B) 具有较多氨基酸辅助营养体的细菌基因组往往较小,这与基因组精简假说一致。

不能产生氨基酸并不是生活在发酵食品或我们肠道中的微生物的独有特征。寄生在我们细胞中并导致重要疾病的支原体也常常是营养缺陷型的,因为它们可以直接从细胞内环境中获得氨基酸。此外,适应捕食其他细菌的种群缺乏许多生产氨基酸的基因,其中包括 Bdellovibrionaceae 的成员。同样,它们可以从受害者那里获得这些必需的化合物,因此它们在进化过程中避免了自己合成氨基酸的能量负担。

能产生所有氨基酸的细菌与依靠环境获得氨基酸的细菌有不同的特征吗?这项研究发现了许多区别这两大类细菌的特征。最重要的是,与依赖外部氨基酸供应的细菌相比,生产所有氨基酸的细菌基因组更大(图 1B)。这表明,氨基酸生产基因的丢失可能只是更广泛的适应策略的一个方面,其中涉及与其他代谢能力相关的基因也可能会丢失。这一过程被称为基因组精简,是一种使细菌最大限度地降低能量和代谢成本的通用策略。与这一观点一致的是,能产生所有氨基酸的细菌在脂质、碳水化合物和其他重要代谢方面的能力也强于不能自己产生所有必需氨基酸的细菌。这项的研究结果突显了微生物周围环境在确定其生存策略方面的重要性,表明在大多数环境中,最佳策略是自给自足,但在营养丰富和与宿主相关的环境中,基因组精简可能是一种非常成功的策略。

在微生物世界中,基因组最小的细菌胃口最大。

原文信息:

Ramoneda, J., Jensen, T.B.N., Price, M.N. et al. Taxonomic and environmental distribution of bacterial amino acid auxotrophies. Nat Commun 14, 7608 (2023).

Behind the Paper:Ramoneda, J. Small genomes, big appetites: amino acid auxotrophy in the bacterial world. Research Communities,