バイオフィルムにおける逆ディアクシー表現型の解明（エクソメタボロミクスと無標識プロテオミクスによる

Reverse diauxie phenotype in biofilm revealed by exometabolomics and label-free proteomics.

• Yeni P Yung
• S Lee McGill
• Hui Chen
• Heejoon Park
• Ross P Carlson
• Luke Hanley

抄録

微生物は、炭素異化抑制（CCR）として知られるプロセスを用いて、利用可能な炭素源の異化を優先させることで体力を向上させている。プランクトン培養された微生物は、CCR戦略を用いてグルコースの異化よりも乳酸を含む有機酸の消費を優先することが知られている。逆ディアウジーはプランクトン培養では報告されているが、バイオフィルムでは明確には報告されていない。本研究では、エキソメタボロミクスと無標識プロテオミクスを組み合わせて、逆ジアキシーのプランクトンとバイオフィルムの表現型を解析した。バイオフィルムはグルコースよりも乳酸を優先的に消費し、さらに基質を完全に異化し、多くのモデル微生物に典型的なアセテート分泌性のオーバーフロー代謝を示さなかった。バイオフィルム表現型は、乳酸脱水素酵素、フマル酸ヒドラターゼ、GTPシクロヒドロラーゼ、L-オルニチンN(5)-モノオキシゲナーゼ、およびスーパーオキシドジスムターゼを含むタンパク質の豊富さの変化によって可能になった。これらの結果は、逆ジアキシーを介した有機酸の異化反応にはOのような末端電子受容体が必要であり、バイオフィルム中では拡散制限により供給量が少ないため、注目すべきものである。本研究では、これまでに報告されていない16種類のタンパク質を含むバイオフィルム形成に関連する数十種類のタンパク質を無標識プロテオミクスにより同定し、本研究で利用した方法論の利点とバイオフィルムへのプロテオミクス適応の複雑さの両方を強調した。バイオフィルムの逆ジアック表現型を文書化することは、最終的に成長と病原性を制御する細胞の栄養とエネルギーフラックスを理解するための基礎となる。

Microorganisms enhance fitness by prioritizing catabolism of available carbon sources using a process known as carbon catabolite repression (CCR). Planktonically grown is known to prioritize the consumption of organic acids including lactic acid over catabolism of glucose using a CCR strategy termed "reverse diauxie." is an opportunistic pathogen with well-documented biofilm phenotypes that are distinct from its planktonic phenotypes. Reverse diauxie has been described in planktonic cultures, but it has not been documented explicitly in biofilms. Here a combination of exometabolomics and label-free proteomics was used to analyze planktonic and biofilm phenotypes for reverse diauxie. biofilm cultures preferentially consumed lactic acid over glucose, and in addition, the cultures catabolized the substrates completely and did not exhibit the acetate secreting "overflow" metabolism that is typical of many model microorganisms. The biofilm phenotype was enabled by changes in protein abundances, including lactate dehydrogenase, fumarate hydratase, GTP cyclohydrolase, L-ornithine N(5)-monooxygenase, and superoxide dismutase. These results are noteworthy because reverse diauxie-mediated catabolism of organic acids necessitates a terminal electron acceptor like O, which is typically in low supply in biofilms due to diffusion limitation. Label-free proteomics identified dozens of proteins associated with biofilm formation including 16 that have not been previously reported, highlighting both the advantages of the methodology utilized here and the complexity of the proteomic adaptation for biofilms. Documenting the reverse diauxic phenotype in biofilms is foundational for understanding cellular nutrient and energy fluxes, which ultimately control growth and virulence.

© The Author(s) 2019.