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Nature:揭示细菌适应不断变化环境条件的机制

来源:本站原创 2017-12-28 07:08

2017年12月28日/生物谷BIOON/---生命的基本前提是活的有机体能够适应不断变化的环境条件。在一项新的研究中,来自德国慕尼黑工业大学和美国加州大学圣地亚哥分校的研究人员确定了细菌用来适应不同环境的调节机制是基于一个全局控制过程的,这个过程能够用一个方程加以描述。相关研究结果发表在2017年11月2日的Nature期刊上,论文标题为“A global resource allocation strategy governs growth transition kinetics of Escherichia coli”。
图片来自Schink and Gerland/TUM。

环境条件,比如温度、光线、营养物的可获得性和很多的其他参数,在地球上不断地发生变化。每个有机体,甚至每个细胞都有无数的机制来适应这些变化。

最好研究的例子之一是大肠杆菌(Escherichia coli),即一种也存在于人类肠道中的细菌。营养物质的供应在不同的时间存在着变化。为了生存,这种细菌必须具备适应这些变化条件的能力。

1965年,Jacques Monod因证明细菌通过产生不同的蛋白来适应变化的环境条件而获得诺贝尔奖。比如,当容易获得的营养物含有乳糖时,它们就合成一种酶来降解乳糖。

但是,半个多世纪以来,尽管人们有很大的兴趣和开展过大量的研究工作,但是这种复杂的调节机制的生化细节还没有充分解释和理解。

适应动力学

慕尼黑工业大学物理系教授Ulrich Gerland领导的研究团队和加州大学圣地亚哥分校教授Terence Hwa领导的研究团队将研究重点放在基础的调节机制上,而不是这些反应链的分子细节上。他们考虑了一个问题:细菌如何能够快速地适应它们的环境变化?

在实验室里,他们研究了细菌的生长:首先仅给它们提供有限的营养物,然后给他们提供足够的营养物,反之亦然。由于存在这种适应过程,在这些变化发生后,细菌的生长速度有所延迟。

当他们先给他们的细菌提供一种营养物,随后提供其他的其他营养物时,细菌的生长暂时放缓时,即便总是有足够的营养物供应。他们给出的解释是细菌首先必须适应它们生存的消化系统。为此,这些细菌相应地调整某些酶的浓度,而且合成这些酶也需要时间。

稳态模型

这些研究人员开发出一种模型来更好地理解这些适应机制。这种模型以一种自上而下的方式仅使用关于这种调节机制的生化细节的定性信息。它评估细胞中的物质流动,并建立代表物质运输的方程式。通过研究物质平衡,他们成功地将各种调节机制汇总到一个全局微分方程中。

在总结这项研究的结果时,Ulrich Gerland说,“我们的调节机制稳态模型正确地描述了适应营养物变化以及可用营养物的增加、减少和变化的时间过程,而且在没有可调节的参数的情形下定量地进行描述。”

Ulrich Gerland说,“明显的是,生长适应的动力学不依赖于单个生化反应的微观细节,而是依赖于用于蛋白合成的资源全局重新分配战略。因此,可以想象的是,我们的理论模型可能适用于一系列类似的动力学过程。” (生物谷 Bioon.com)

参考资料:

David W. Erickson, Severin J. Schink, Vadim Patsalo et al. A global resource allocation strategy governs growth transition kinetics of Escherichia coli. Nature, 02 November 2017, 551:119–123, doi:10.1038/nature24299

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