近日，山东大学微生物技术国家重点实验室毕双玉教授与德国马克斯普朗克陆地微生物研究所Victor Sourjik教授合作，在国际期刊Nature Communications（IF：17.694）上在线发表题为“Dynamic fluctuations in a bacterial metabolic network”的研究论文。毕双玉教授为论文第一作者，Sourjik教授为通讯作者，微生物技术国家重点实验室为第二完成单位。德国图宾根大学Hannes Links教授也参与了该项研究。

中央代谢通路的进行过程通常被认为是具有确定性的，但细胞是处于动态平衡中的自催化和随机系统。因此，代谢网络的性质及其与基因转录表达和其它细胞过程的相互作用本质上是随机的，这可能导致网络活动的动态波动。这些波动可能会对生物网络可靠地执行其功能产生影响，但也可能会导致群体中细胞之间的有益变化。动态波动既可以在基因转录水平产生，又可能在翻译后水平产生。尽管微生物中基因转录随机性的起源和结果已经被广泛研究，但翻译后水平产生的随机波动的过程和重要性仍然是未知的。

另外，生物代谢网络的调控与生物体各项生命活动息息相关，但由于检测手段的敏感性低以及欠缺可操作性等原因，在单细胞层次实时、定量检测胞内代谢产物的浓度变化一直难以实现，尤其是在微小的细菌细胞中，这成为研究代谢网络调控的瓶颈。然而，基于荧光读数的生物传感器的开发，例如荧光能量共振转移（FRET）技术，实现了对活细胞代谢过程的定量监测。

该项研究基于FRET技术搭建了可以在单细胞水平实时监测细菌胞内代谢产物浓度的显微镜成像系统。使用基于荧光蛋白标记的FRET传感器，在刺激代谢网络后，跟踪单个大肠杆菌细胞中关键代谢产物丙酮酸在时间分辨尺度下的浓度变化动力学。研究团队首先使用一个简化的代谢动力学模型表明，糖酵解中的变构酶调节可以在各种动力学参数下，随着碳源摄取的变化，导致丙酮酸水平的持续振荡。作者又通过实验证明，当饥饿的大肠杆菌细胞暴露于葡萄糖或其它几种糖酵解碳源时，单个细胞中丙酮酸的细胞内水平在大约100秒的时间尺度上表现出大的周期性波动，这与模拟结果一致。作者进一步观察到，这些代谢波动取决于丙酮酸转化所涉及的生物化学反应，并且糖酵解的动态波动会传递到其它细胞过程，导致群体内细胞状态的时空异质性。

利用单细胞FRET技术测定大肠杆菌胞内丙酮酸水平的动态波动

此项研究工作得到了马克斯普朗克学会、青年泰山学者计划项目的资助。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37957-0