空间转录组揭示大肠杆菌K12生物膜中丰富的代谢协调

  作者利用生长特异性荧光小分子结合生物膜生长发育的特点，实现了对大肠杆菌K12生物膜的空间差异性标记。

  图1 荧光标记不同区域生物膜细胞的原理图

  结合机器学习和流式细胞分选对生物膜进行了高空间分辨率的分选，对分选的细胞进行转录组分析，通过二代测序获得了生物膜的空间转录组信息，空间转录组的工作流程如图2所示。

  图2 空间转录组的工作流程

  如图3所示，通过空间转录组测序发现，物质转运相关通路在内部的生物膜细胞及外部的生物膜细胞中差异表达。并且不同的转运蛋白具有不同的空间表达特征。这预示了生物膜内可能存在跨区域的代谢物交换。

  图3 内部的生物被膜细胞显示出分解代谢相关基因高表达

  为了进一步揭示代谢物以何种方式进行空间交互，作者分析了主要代谢物的合成及降解通路的空间表达，如图4及图5所示，发现了三种空间交互模式：(1)跨区域营养供给：外部的生物膜细胞释放精氨酸提供给营养匮乏的内部生物膜细胞;(2)跨区域信号反馈：内部的生物膜细胞可利用来自外部生物膜细胞转运的精氨酸作为营养物质，并可将其分解为多胺反馈给外部的生物膜细胞，从而影响外部生物膜的生长和对群体结构的维持;(3)局域内循环，核苷酸和氨基酸的合成展示出单细胞水平的异质性和分工。

  通过上述空间交互，生物膜中营养匮乏的区域维持了较高的代谢活性，得以表达信号传导和群体相关功能的基因。以上工作揭示了生物膜群落内物质的交互作用，深化了对细菌生理特性的理解。

  图4 氨基酸及多胺信号存在代谢协调

  图5 外部的生物膜细胞存在细胞亚群

  参考文献：doi.org/10.1038/s41589-023-01282-w