生物被膜(Biofilm)是微生物生存的主要形式。生物被膜相关研究是微生物学领域的前沿之一，在基础生命科学和医疗、工业、农业、环境治理等应用科学领域均具有至关重要的研究意义。铜绿假单胞菌具有很强的环境适应性，可以在水体、土壤、原油等多种环境中生存。同时铜绿假单胞菌也是一种条件致病菌，易形成生物被膜，是生物被膜研究的模式菌株之一。已有研究发现铜绿假单胞菌存在一类褶皱型小菌落突变株（Rugose small colony variants, RSCVs），可以形成致密、厚实的超级生物被膜（hyper-biofilm）。超级生物被膜的形成导致突变株耐药性大幅增强，易于逃脱宿主的免疫清除，临床预后较差。此外超级生物被膜的形成也有助于细菌抵御环境中的生存压力，可以在营养贫瘠的环境中维持生存。然而关于超级生物被膜菌株形成机制尚待解析。
中国科学院微生物研究所马旅雁团队对石油分离的两株铜绿假单胞菌进行了全基因组测序，分析发现两株菌株基因组高度同源（identity>99.99%），但其中一株表现为形成超级生物被膜的小菌落皱褶表型。SNP分析结合分子生物学验证揭示该菌甲基化趋化受体蛋白WspA的小片段缺失是导致菌株超级生物被膜形成的原因。WspA蛋白是Wsp系统中的信号感应受体蛋白，通过甲基化或去甲基化两种修饰形态决定着Wsp系统的激活或关闭。WspA第280-307氨基酸残基片段的缺失导致该蛋白将Wsp系统锁定在持续激活的状态。Wsp系统在铜绿假单胞菌中通过调控胞内第二信使cyclic-di-GMP的合成从而协调细菌运动和生物被膜形成，Wsp系统的持续激活导致了胞内cyclic-di-GMP的持续积累，从而抑制细菌运动，促进胞外多糖的合成，形成超级生物被膜。此外，马旅雁团队通过Orbitrap对WspA蛋白的甲基化位点进行鉴定，发现在WspA有小片段缺失的280-307氨基酸区域存在两个甲基化位点E280和E297。推测甲基化位点的缺失导致WspA蛋白无法被甲基化和去甲基化修饰，从而导致Wsp系统被锁定在持续激活的状态。WspA同源蛋白序列比对显示在发生氨基酸片段缺失（aa280-313）的区域有三个保守的重复序列，表明相应DNA编码区域内的自发缺失可能是基因内部片段重组的结果。该重复序列在几个相关的菌属和生境类似的细菌的WspA中均存在，提示了类似突变发生的普遍性。WspA的小片段缺失在临床分离的RSCV中也很常见。该研究结果阐明了铜绿假单胞菌超级生物被膜形成的机制以及该菌在特殊环境中获得竞争优势的原因。
综上，该研究揭示了甲基化趋化受体蛋白WspA通过小片段丢失的方式，激活cyclic-di-GMP的合成，从而导致菌株形成超级生物被膜的机制，为防治和控制超级生物被膜相关问题提供理论依据及可能的解决办法。本研究工作以马旅雁课题组博士生徐安明为第一作者，王迪副研究员为第二作者，马旅雁研究员为通讯作者，于2022年3月发表在Environmental Microbiology杂志上。本研究得到了微生物所刘双江团队和李德峰团队的合作与帮助。该项研究得到了国家自然科学基金水圈重大研究计划、国家重点研发计划的支持。
