摘要：温度是影响微生物行为和生存的关键环境因子，不论是在自然界还是宿主内，微生物都需要面对温度的动态变化。然而，微生物如何通过内在机制调节生长速率以适应温度变化，长期以来仍是未解之谜。2024年12月13日，最新《Nature Microbiology》发表斯坦福大

转载自环境微生物组学

温度是影响微生物行为和生存的关键环境因子，不论是在自然界还是宿主内，微生物都需要面对温度的动态变化。然而，微生物如何通过内在机制调节生长速率以适应温度变化，长期以来仍是未解之谜。2024年12月13日，最新《Nature Microbiology》发表斯坦福大学和多所科研机构合作论文，系统解析了微生物通过代谢重组应对温度变化的机制，为理解生命系统的温度适应提供了全新视角。

温度会显著影响化学反应速率，微生物的生长速率通常遵循经典的阿伦尼乌斯定律（Arrhenius Law），即生长速率随着温度升高而加快。然而，这种现象的分子机制一直未被完全揭示。传统研究主要聚焦于极端温度下的热休克或冷休克反应，例如伴侣蛋白如何帮助折叠或拆解受损分子。但在中等温度范围内（非极端温度），微生物的生长速率变化则更多受到代谢过程的影响，而非直接依赖于转录或翻译调控。

研究团队以大肠杆菌为研究对象，结合单细胞显微镜技术、蛋白质组学和数学建模，揭示了微生物对温度上升的反应存在一个独特的动态过程。温度上升后，生长速率迅速提高并出现短暂峰值（初始突增）；随后生长速率以线性方式逐渐接近新温度的稳态值（线性加速）；最终达到新温度对应的稳定生长速率（稳态平衡）。这种响应过程的时间尺度约为高温条件下的1.5倍倍增时间，且对初始和目标温度、营养条件基本无依赖性。令人惊讶的是，

研究发现这种温度适应主要依赖代谢物组的重组，而非传统意义上的转录或翻译调控。通过分析蛋白质组数据，研究团队发现大肠杆菌的蛋白质组成在温度变化范围内（

研究团队提出了一种基于“自催化酶网络模型（TSEN）”的理论框架，成功模拟了温度变化中的代谢动态。他们发现，代谢物在温度上升时发生重组，导致代谢网络中某些关键酶的反应速率随温度变化而调整。这种代谢重组不仅能够解释实验观察到的生长速率变化，还揭示了微生物对温度变化的“记忆”现象。在温度下降后，微生物能够快速恢复至高温状态的生长速率；这种恢复速度与低温条件下代谢物的稀释速率直接相关。此外，模型还预测了不同营养条件下的温度适应行为。

广泛适用性与进化意义

研究进一步验证了这种代谢重组机制在多种微生物中具有高度保守性，包括不同宿主来源的大肠杆菌菌株、土壤细菌枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）以及单细胞真核生物裂殖酵母（Schizosaccharomyces pombe）。尽管不同物种的生长速率和代谢特性存在差异，但其温度响应的基本模式高度一致，表明代谢重组可能是微生物应对温度变化的普遍策略。

E. coliresponds asymmetrically to temperature shifts, and upshift dynamics are determined by the steady-state growth rate at the final temperature.

The delayed response to a temperature upshift is not due to proteome rearrangement.

参考文献

Knapp, B.D., Willis, L., Gonzalez, C. et al. Metabolic rearrangement enables adaptation of microbial growth rate to temperature shifts. Nat Microbiol (2024). https://doi.org/10.1038/s41564-024-01841-4

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来源：微生物组