金黄色葡萄球菌在确定培养基中的生长与乙酸代谢：关键营养比例调控代谢转换的机制研究

《Applied and Environmental Microbiology》：Growth and acetate metabolism of Staphylococcus aureus in defined medium

　　本文深入探讨了金黄色葡萄球菌在确定培养基中的代谢调控机制，揭示了乙酸代谢与碳氮源比例的密切关联。研究发现，乙酸分解代谢依赖于乙酰辅酶A合成酶（AcsA）、乙酰化酶（AcuA）和去乙酰化酶（AcuC）的协同作用，且受葡萄糖与氨基酸浓度比例的精确调控。通过优化培养基组成（如降低葡萄糖浓度至3.5 mM或模拟血清氨基酸水平的pCDM），可促进乙酸、脯氨酸和精氨酸的完全氧化，从而驱动后指数期生长。这一发现为研究金黄色葡萄球菌代谢适应性及毒力调控提供了关键实验依据，对病原体生理学研究具有重要指导意义。

　　

摘要

金黄色葡萄球菌是重要的人类病原体，其代谢调控与致病性密切相关。本研究通过确定培养基实验，揭示了乙酸代谢的关键分子机制及其与营养浓度的动态关联。乙酰辅酶A合成酶（AcsA）的活性受乙酰化酶（AcuA）和去乙酰化酶（AcuC）调控，而乙酸分解代谢的启动依赖于培养基中葡萄糖与氨基酸的特定比例。高葡萄糖浓度会抑制乙酸、脯氨酸和精氨酸的利用，导致后指数期生长缺陷；而降低葡萄糖浓度或调整氨基酸组成可恢复代谢平衡。这些发现为优化病原体代谢研究模型提供了重要依据。

引言

金黄色葡萄球菌的代谢研究传统上依赖复杂培养基，但其成分不明确可能干扰结果准确性。确定培养基可精确控制营养条件，但早期配方中高葡萄糖浓度会抑制乙酸代谢和后指数期生长。本研究以USA300 JE2菌株为模型，探究了乙酸代谢的分子机制及营养调控规律。

结果

含葡萄糖确定培养基中的生长特性

在无葡萄糖的确定培养基中，金黄色葡萄球菌可通过氨基酸分解产生乙酸，并在后指数期完全消耗乙酸，同时利用脯氨酸和精氨酸等氨基酸。然而，添加14 mM葡萄糖后，尽管菌体产量提高，乙酸和关键氨基酸的消耗被抑制。缓冲条件调整实验表明，pH变化并非主要抑制因素。

乙酸代谢的分子机制

乙酸分解依赖AcsA将乙酸转化为乙酰辅酶A，其活性受AcuA（乙酰化抑制）和AcuC（去乙酰化激活）调控。基因敲除实验证实，ΔacsA和ΔacuC突变体丧失乙酸消耗能力，而ΔacuA突变体代谢正常。双突变体ΔacuCΔacuA可恢复乙酸代谢，表明AcuA和AcuC通过调控AcsA活性共同影响乙酸利用。

全局调控因子的作用

CcpA和CodY是碳代谢的关键调控因子。虽然ΔccpA菌株中acsA转录水平上升，但乙酸代谢未恢复，说明转录后调控或代谢压力可能起主导作用。非PTS碳源（如丙酮酸）实验显示，乙酸代谢与碳源类型及浓度相关，而非单纯依赖CcpA通路。

营养比例的临界调控

降低葡萄糖浓度至3.5 mM或调整氨基酸浓度至生理水平可促进乙酸代谢。在模拟血清氨基酸浓度的pCDM中，葡萄糖浓度需进一步降低至0.875 mM才能启动乙酸分解。这表明微生物代谢平衡依赖于碳氮源的精确比例，而非单一物质浓度。

讨论

微生物的溢出代谢可能由膜空间限制或蛋白酶成本驱动。金黄色葡萄球菌的TCA循环瓶颈可能促进乙酸排泄，而营养比例调整可解除代谢抑制。本研究提出的优化培养基条件能更真实模拟体内环境，为研究毒力因子表达和代谢适应性提供可靠模型。

材料与方法

菌株培养采用有氧摇瓶条件，代谢物检测通过液相色谱-质谱联用技术完成。基因操作利用噬菌体转导和染色体互补策略，确保实验可重复性。

结论

金黄色葡萄球菌的乙酸代谢受AcsA-AcuA-AcuC分子轴调控，并高度依赖培养基中葡萄糖与氨基酸的比例。通过调整营养条件，可实现对后指数期代谢的精确控制，为病原体生理学研究奠定基础。