喬治·卡林(George Carlin)在他的經(jīng)典喜劇節(jié)目“為你的東西放置一個地方”中辯稱，生活的重點是為你擁有的東西找到一個合適大小的空間。對于人來說，對細菌也是如此。

正如人們無休止地計算如何增大或減小尺寸一樣，細菌會不斷調(diào)整其體積(它們的東西)以適應它們的膜(它們的空間)。他們?nèi)绾巫龅竭@一點并不明顯：佩特拉萊文在圣路易斯華盛頓大學的實驗室花了數(shù)年時間試圖解決這個問題。

該實驗室已經(jīng)取得了相當大的進展，但仍然無法完全解釋為什么有些細胞增長到其他細胞的兩到三倍。因此，他們嘗試了一種新方法，研究生物合成而非細胞周期控制(分裂和生長的協(xié)調(diào))，這一直是細胞大小領域的焦點。

6月19日在線生物學在線發(fā)表了一篇非常簡單的啟示。脂肪(脂質(zhì))限制細菌細胞的大小。“如果你防止細胞產(chǎn)生脂肪，它們就會變小，如果你給它們多余的脂肪或讓它們產(chǎn)生更多的脂肪，它們就會變大，”藝術(shù)與科學生物學教授萊文說。“脂肪讓細胞發(fā)胖。”

“當你考慮脂質(zhì)的作用時，這是有道理的，”萊文實驗室的博士后研究員斯蒂芬·瓦迪亞說道，他是該報的主要作者。“定義細胞內(nèi)外之間界限的膜幾乎全部都是脂肪。所以脂肪合成會限制細胞大小并不奇怪。

“我想，'好吧，這看起來很明顯，現(xiàn)在我看到了我面前的數(shù)據(jù)，'”他補充道，笑著說道。

偽造細胞

科學家多年來一直在啃這種特殊的骨頭。瓦迪亞說，基本問題可以追溯到20世紀50年代所做的研究?？茖W家在20多種不同培養(yǎng)基中培養(yǎng)了鼠傷寒沙門氏菌，其營養(yǎng)成分各不相同。在營養(yǎng)不良的培養(yǎng)基中，細胞生長緩慢而且很小;在營養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基中，它們生長得更快，更大。

“這是我們試圖理解的基本觀察，”瓦迪亞說。“為什么快速生長的細胞在營養(yǎng)不良的環(huán)境中比緩慢生長的細胞大得多?”

他說，營養(yǎng)不良培養(yǎng)基中的細胞大約是營養(yǎng)豐富培養(yǎng)基中脂肪細胞大小的三分之一到三分之一。Levin實驗室之前的工作已經(jīng)能夠占到這個尺寸差異的20%，但仍然無法理解造成80%額外收縮的原因。

“最終，細胞對營養(yǎng)素的作用是將它們分開并用它們作為構(gòu)建塊來合成新分子，”Vadia說。“因此，我們想知道生物合成能力是否與尺寸差異有關(guān)。如果生物合成背后，生物合成能力一般嗎?或者特殊的生物合成途徑對細胞大小很重要?”

為了找到答案，他們將抗生素添加到大腸桿菌和枯草芽孢桿菌培養(yǎng)物中，這些培養(yǎng)物分別抑制了三種主要的生物合成途徑。抑制RNA合成或蛋白質(zhì)合成對細胞大小的影響可忽略不計。“如果我們用抗生素靶向脂肪酸合成細胞，我們確實看到細胞大小明顯下降，”Vadia說。

接下來，他們嘗試通過調(diào)高FadR來推動另一個方向，F(xiàn)adR是一種激活脂肪酸合成基因表達的轉(zhuǎn)錄因子。當他們使用抗生素拒絕脂肪酸合成時，細胞變小。但當它們過量生產(chǎn)FadR以增加脂肪酸合成時，細胞變大了。

“這似乎并不重要，脂肪是什么，真的，”萊文說，“只要你有足夠的脂肪。我們發(fā)現(xiàn)我們可以給細胞油酸，一種在鱷梨和橄欖油中發(fā)現(xiàn)的脂肪，以補充脂肪減少 - 酸合成，只要添加的脂肪酸進入膜，細胞就能恢復。“

她表示，與許多細胞過程不同，這一過程似乎并未受到精心設計的蛋白質(zhì)信號網(wǎng)絡的調(diào)控。膜實際上只是一個袋子，袋子的大小決定了細胞的生長程度。

“我很驚訝脂質(zhì)在蛋白質(zhì)上占據(jù)主導地位，因為它們被忽略了，”她說。

“人們不會考慮脂質(zhì)，”瓦迪亞說。“它可能追溯到生物學的核心教條，我們都被教導：DNA使RNA產(chǎn)生蛋白質(zhì)，而蛋白質(zhì)則可以做任何事情。脂質(zhì)被認為是一種副作用。”

提高警報

但是科學家還沒有完成。“我們知道不能制造稱為鳥苷四磷酸(ppGpp)的信號分子的突變體對抑制脂質(zhì)合成的物質(zhì)非常敏感，但沒有人真正理解為什么，”萊文說。

接下來，實驗室進行了實驗，以追蹤ppGpp在細胞大小中的作用。Vadia說，這種分子是一種警報信號。如果大腸桿菌遇到可怕的生存條件，它就開始合成ppGpp，這會關(guān)閉DNA合成，蛋白質(zhì)合成，脂肪酸合成和核糖體生成，使細胞處于準休眠狀態(tài)(這被稱為“嚴格的反應”) )。

在營養(yǎng)豐富的條件下，ppGpp水平極低，但隨著細菌細胞開始饑餓，它們開始上升。

為了弄清楚更多，Vadia暴露了一種大腸桿菌突變體，它不能使ppGpp成為阻斷脂肪酸合成的抗生素。能夠制作更多的東西，但無法制作更大的袋子，細胞開始裂解，在接縫處破裂。

“這就像不可思議的綠巨人，”萊文說。“ppGpp的上升水平告訴細胞，'好吧，我們沒有制造足夠的脂質(zhì);你必須拒絕你正在制造的其他東西，否則我們會穿透衣服。'”

同樣，科學家也試圖以另一種方式推動事物。他們生長的細胞過量產(chǎn)生了ppGpp合成酶和FadR。所以這些細胞具有高ppGpp，即使在營養(yǎng)豐富的條件下，通常會使它們變小，但它們也具有高FadR，這使它們能夠利用可利用的營養(yǎng)素來增加脂質(zhì)合成。

如果有足夠的脂質(zhì)來生長更大的袋子，這些細胞就會膨脹。

“所以脂質(zhì)確實決定了其他一切的大小，”萊文說。“有一條信號通道說，'好吧，我們對于我們的婊子來說太大了，我們必須關(guān)閉，停止進食這么多，停止做這么多。'

“對于真核生物Saccharomyces cerevisiae(酵母)以及大腸桿菌和枯草芽孢桿菌來說，情況確實如此，”她說。“這可能是真的 - 如果它不是跨越所有生物體，我會感到震驚：脂質(zhì)限制了單個細胞的大小。”

萊文繼續(xù)說：“這些實驗是我們做過的最有趣的事情。許多不明確的想法突然成為焦點，這是每個研究科學家所希望的。”