细菌如何进入休眠、又如何在条件改善后苏醒？这一直是理解抗生素持留现象的核心问题。传统观点认为，营养耗尽本身是启动休眠的直接原因。然而，北京大学昌增益团队发表在Scientific Reports的研究“A metabolite-pair controlled quiescence switch via ATP-dependent phase separation”颠覆了这一认知：真正触发休眠的，是氨基酸氧化代谢产生的两种“废物”——铵离子（NH₄⁺）和碳酸氢根（HCO₃⁻）。这对代谢副产物协同作用，耗竭细胞内ATP，解除ATP作为“生物水溶助剂”对特定蛋白质的增溶保护，从而驱动选择性相分离，组装成“复苏延迟体”，使细菌进入可逆的休眠状态。

该研究首次将氨基酸氧化副产物、ATP的非能量功能与蛋白质相分离直接联系起来，揭示了一种不依赖复杂转录调控的、可逆的物理化学休眠开关。其核心价值在于：休眠并非营养饥饿的被动后果，而是由特定代谢物对主动触发的状态切换。这一机制在酵母中提示了跨物种保守性，为理解细胞静息状态的起源与干预提供了全新框架。

从意外观察到机制解析：复苏延迟体的发现与追踪

故事的起点要追溯到几年前。昌增益团队在开展细菌分裂关键蛋白FtsZ在活细胞中动态组装与去组装的研究时，通过一个对照实验意外观察到一种仅在休眠细菌中出现的亚细胞结构。团队将其命名为“复苏延迟体”（regrowth-delay body）。2019年，该团队报道了这一结构：它形成于非生长细菌中，暂时收纳多种参与生长和代谢的蛋白质；当细胞恢复生长时，结构解体，释放相关蛋白质。

然而，复苏延迟体形成的上游触发机制一直未知。在国家自然科学基金委原始创新探索项目的资助下，昌增益团队通过系统测试和排除各种可能的诱发试剂，最终锁定了一对看似普通的代谢副产物。

图1：大肠杆菌中的复苏延迟体。 绿色荧光标记细胞分裂蛋白FtsZ。在休眠细菌中，FtsZ聚集于复苏延迟体内；在复苏细菌中，复苏延迟体解体，FtsZ重新参与细胞分裂。（图片由实验室已毕业的余家钰博士提供）

关键发现：NH₄⁺与HCO₃⁻的“与门”逻辑

昌增益实验室发现，大肠杆菌在培养基中的糖类耗尽、转而主要利用氨基酸供能后，会积累NH₄⁺和HCO₃⁻。实验表明，单独添加其中一种代谢物，均不足以诱导复苏延迟体形成，也不会引起显著的ATP下降；但两者同时存在时，诱导效率与完整培养液相当，ATP水平显著降低，复苏延迟体大量组装。这种“与门”逻辑——即两种代谢物必须同时存在才能触发休眠，单独一种无效——意味着，细胞只有在氨基酸氧化代谢真正活跃时才会触发休眠，而非仅仅感知单一代谢物的波动。

值得注意的是，将细胞置于无营养缓冲液中，其ATP水平维持正常，也不形成复苏延迟体。这一结果直接否定了“营养耗尽本身足以触发休眠”的传统观点，说明真正起作用的是特定代谢物的积累。

机制核心：ATP的“生物助溶剂”功能与折叠态蛋白质相分离

ATP是细胞中重要的供能分子，但它的作用不止于供能。2017年，Patel等人报道，ATP在毫摩尔浓度下还能帮助部分蛋白质保持溶解，发挥“生物助溶剂”功能。昌增益团队的研究进一步证实，NH₄⁺和HCO₃⁻协同作用，突破细胞的代偿能力，造成ATP耗竭。ATP水平下降后，FtsZ、FtsA、MinD、AdhE、RplA等复苏延迟体蛋白选择性相分离，组装成复苏延迟体；而EF-Tu、TnaA等非复苏延迟体蛋白则不受影响。补充ATP可完全溶解凝聚体，恢复生长。

通过追踪活细胞中的变化，昌增益实验室观察到，ATP下降发生在复苏延迟体形成之前。化学解偶联剂CCCP以及TisB、DinQ、ShoB等耗竭ATP的毒素均可诱导复苏延迟体形成，而HipA、RelE等不耗竭ATP的毒素则不能，证实ATP耗竭是充分触发条件。

图2：复苏延迟体的形成与解体及相关代谢模型。 氨基酸氧化产生的NH₄⁺和HCO₃⁻协同降低ATP水平，促使部分蛋白质发生相分离，组装形成复苏延迟体；ATP水平恢复后，该结构解体。机制图同时展示了自我增强代谢回路及协同干扰能量合成的模型，其中反馈环节和协同作用的具体机制仍待验证。氨基酸氧化产生的NH₄⁺和HCO₃⁻协同降低ATP水平，促使部分蛋白质发生相分离，组装形成复苏延迟体；ATP水平恢复后，该结构解体。机制图同时展示了自我增强代谢回路及协同干扰能量合成的模型，其中反馈环节和协同作用的具体机制仍待验证。

折叠态相分离：一种新的凝聚体类别

复苏延迟体的一个定义性特征是：其组分蛋白质以折叠状态进入凝聚体。2019年的研究已提供多项证据：光交联空间邻近实验显示，FtsZ在复苏延迟体内保持晶体结构定义的邻近关系；折叠态FtsZ特异性结合蛋白CbtA可阻止FtsZ进入复苏延迟体；分子伴侣DnaK、ClpB、ClpP不富集于复苏延迟体中。这意味着，复苏延迟体的解体不需要分子伴侣介导的重新折叠，也不需要新蛋白质合成——ATP恢复后，凝聚体直接溶解，相关蛋白质立即恢复功能。这种“即插即用”的机制，与经典的内在无序区域（IDR）驱动的凝聚体形成鲜明对比，代表了一种此前未被充分认识的相分离类别。

休眠深度与苏醒时间：ATP水平作为“生物计时器”

研究还揭示了同一群体中细菌复苏快慢不同的机制。休眠时初始ATP水平越低，ATP恢复及复苏延迟体解体所需的时间通常越长。这为理解细菌持留的异质性提供了物理基础：休眠深度并非随机，而是与初始ATP水平定量相关。

研究进一步提出，两种代谢副产物降低ATP后，可能进一步促进氨基酸分解，使副产物继续积累，形成自我增强的代谢回路。这一反馈过程仍需验证。

跨物种保守性与氨毒性新线索

在酿酒酵母中，NH₄⁺和HCO₃⁻共同作用同样引起ATP下降，并使细胞恢复生长的时间延后。这些初步结果提示，类似过程可能参与真核细胞休眠，但是否形成类似凝聚体尚不清楚。研究者还提出，NH₄⁺和HCO₃⁻的协同耗能效应也可能为氨毒性机制提供新线索——在HCO₃⁻缓冲体系中，NH₄⁺可能协同耗竭ATP，若在神经元中激活，可能导致能量危机和异常凝聚。

科学意义与展望

该研究首次将氨基酸氧化副产物、ATP的非能量功能与蛋白质相分离联系起来，提出了一个概念性框架：休眠不是被动进入的“默认状态”，而是由特定代谢物对主动触发的“状态开关”。这一发现挑战了长期以来将休眠视为营养饥饿被动后果的观点，揭示了代谢状态如何通过ATP的“生物助溶剂”功能直接转导为蛋白质物理状态的变化。

从“废物”到“信号”，NH₄⁺和HCO₃⁻这对看似普通的代谢副产物，竟是细菌休眠的主动开关。这一发现不仅为理解细菌持留和抗生素耐受提供了新视角，也为探索抑制复苏延迟体形成或促进其解体的干预方法提供了依据。能否借此改善抗生素杀菌效果，仍需进一步验证。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41598-026-67613-8

背景论文： Yu, J., Liu, Y., Yin, H. et al. Regrowth-delay body as a bacterial subcellular structure marking multidrug-tolerant persisters. Cell Discov 5, 8 (2019). https://doi.org/10.1038/s41421-019-0080-3

作者信息： 该论文的第一作者为王梦媛博士、赵莹博士生和刘洋老师，通讯作者为昌增益教授。

国际关注：

该论文上线次日，科学记者George Semaan在Daily Neuron撰写长篇报道《Bacteria Survive Antibiotics by Running Out of Power on Purpose》，以“细菌故意耗尽电力以求生”为题，向英文读者介绍了这项工作。报道从青霉素时代临床医生观察到的持留现象切入，将这项研究的核心发现概括为一条清晰的因果链：细菌在糖类耗尽后转而燃烧蛋白质，这一过程必然产生NH₄⁺和HCO₃⁻；两者单独存在时无害，同时出现则“突破细胞的代偿极限”，造成“灾难性的生物能量崩溃”，ATP耗竭后蛋白质从溶液中凝聚析出，细胞随之进入休眠。

报道特别关注了该机制在概念上的几处突破。其一，休眠不是饿出来的：报道明确写道，“细胞被置于完全无营养的缓冲液中时，能量水平接近正常，且从不形成凝聚体”，并指出这一结果与先前将休眠深度与能量下降程度挂钩的研究形成了对照。其二，不需要传感器，不需要基因开关：报道指出，这一回路“不需要特定调控蛋白”，因此作者预期它存在于任何以蛋白质为燃料的生物中，并提到志贺氏菌、沙门氏菌和铜绿假单胞菌中同样的两种分子已能引起ATP下降。其三，凝聚体是保护性的，而非损伤性的：报道将复苏延迟体描述为“有意组装、具有保护性的生物凝聚体”（purposefully assembled, protective biocondensates），强调其中收纳的是折叠完整、随时可用的功能蛋白，而非错误折叠的废弃蛋白，因此苏醒时无需分子伴侣协助拆解，也无需合成新蛋白。其四，ATP水平是“生物闹钟”：报道援引单细胞追踪结果指出，休眠细胞初始ATP越高苏醒越快，一个读数即可粗略预测细胞何时重新开始生长，群体由此自然形成苏醒时间的分散，作者将其与“赌注对冲”策略相联系。

报道还援引研究者提出的延伸猜想：NH₄⁺和HCO₃⁻这对“看似无害、合起来却切断电源”的分子组合，或可为长期未完全解释的氨毒性机制提供新线索。

报道链接：https://dailyneuron.com/bacterial-dormancy-atp-depletion/