由賴斯大學(xué)生物工程研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)解釋了一些細(xì)菌在非常艱難的時(shí)期用來(lái)做出生死決定的機(jī)制。解讀細(xì)菌如何應(yīng)對(duì)壓力可以產(chǎn)生新的線索，用于對(duì)抗食物腐敗和控制食源性病原體。這項(xiàng)新研究發(fā)表在“ 分子系統(tǒng)生物學(xué)”上，揭示了一個(gè)關(guān)于該領(lǐng)域基本問(wèn)題之一的長(zhǎng)期爭(zhēng)論：是什么原因?qū)е聣毫^(guò)大的細(xì)菌急劇停止正常功能并形成孢子?

“我們這個(gè)領(lǐng)域的人們?cè)缇拖胫赖氖?，像芽孢桿菌這樣的孢子形成細(xì)菌怎么做出這個(gè)決定?” 該研究的共同作者，萊斯生物工程副教授，萊斯理論生物物理中心(CTBP)高級(jí)研究員Oleg Igoshin說(shuō)。“是否存在一種特定的生物化學(xué)觸發(fā)因素，可以激活一種網(wǎng)絡(luò)蛋白質(zhì)，還是孢子形成更多的一般生理反應(yīng)?”

為了形成一種能夠在沒(méi)有食物的情況下存活多年的硬殼孢子，生物體必須將其能量注入孢子形成。太快成為孢子可能會(huì)導(dǎo)致死亡 - 來(lái)自鄰居的競(jìng)爭(zhēng) - 不斷增加 - 但是在孢子完成之前，延遲決定會(huì)導(dǎo)致饑餓死亡。

“這是一個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)的決定，這表明決策機(jī)制是通過(guò)強(qiáng)烈的進(jìn)化壓力產(chǎn)生的，”Igoshin說(shuō)。“有機(jī)體也可能采用同樣的機(jī)制做出其他關(guān)鍵決定。”

枯草芽孢桿菌是一種常見的土壤細(xì)菌和著名的幸存者。它對(duì)人體無(wú)害，甚至在一些傳統(tǒng)食品中用作益生菌。它是如此擅長(zhǎng)形成孢子，它是研究孢子形成的生物學(xué)家的首選模式生物。

大約十年前，計(jì)算生物學(xué)家Igoshin開始研究枯草芽孢桿菌用于制定孢子形成決定的調(diào)控基因。他和他的實(shí)驗(yàn)室成員解釋了實(shí)驗(yàn)合作者的工作，并開發(fā)了計(jì)算機(jī)模擬來(lái)破譯監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)的工作，例如枯草芽孢桿菌用來(lái)做出決定的開關(guān)，反饋回路和信號(hào)放大器。

2012年，Igoshin和研究生Jatin Narula展示了監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)如何采用一系列嵌套的“前饋”環(huán)路來(lái)過(guò)濾信號(hào)噪聲，并在2015年揭示了網(wǎng)絡(luò)的計(jì)時(shí)機(jī)制，這是一種利用生物體的鐘狀DNA復(fù)制的電路周期。

在以2015年工作為基礎(chǔ)的新研究中，Narula，Igoshin和合作者使用他們的計(jì)算機(jī)模型來(lái)展示一般的生理線索 - 細(xì)胞生長(zhǎng)的減緩 - 如何能夠引發(fā)枯草芽孢桿菌的孢子形成決定。Igoshin說(shuō)，孢子形成網(wǎng)絡(luò)對(duì)細(xì)胞以基本恒定的速率產(chǎn)生的關(guān)鍵蛋白質(zhì)的濃度非常敏感。在饑餓期間，當(dāng)細(xì)胞的生長(zhǎng)速度減慢時(shí)，這種蛋白質(zhì)的濃度增加，細(xì)菌更容易形成孢子。Rice的理論工作在加州大學(xué)圣地亞哥分校的共同作者GürolSüel的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

由Süel實(shí)驗(yàn)室的兩名研究生Anna Kuchina和Fang Zhang進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了主要的模型預(yù)測(cè)：只有那些減緩其生長(zhǎng)超過(guò)閾值的細(xì)胞才會(huì)進(jìn)行孢子形成。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，孢子形成網(wǎng)絡(luò)蛋白質(zhì)的數(shù)量 - 而不是蛋白質(zhì)的活性 - 受到細(xì)胞生長(zhǎng)的調(diào)節(jié)，這一發(fā)現(xiàn)與孢子形成具有特定生物化學(xué)觸發(fā)的理論相矛盾。

Igoshin說(shuō)，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)食品安全和一般微生物學(xué)具有重要意義。

“一些枯草芽孢桿菌近親的孢子形成是食品保鮮行業(yè)的一大麻煩，因?yàn)樵S多孢子可以在沸騰的溫度下存活，”Igoshin說(shuō)。“為了殺死這些孢子，你需要同時(shí)施加熱量和高壓。所以人們一直在尋找抑制孢子形成的其他方法。如果特定分子引發(fā)孢子形成，那么可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一種藥物可以阻斷這種分子，但是我們的研究表明，孢子形成是一種普遍的生理反應(yīng)，食品安全工程師需要尋找其他控制方法。

“此外，這種機(jī)制很有可能控制其他細(xì)菌物種的關(guān)鍵決策，”他說(shuō)。“它與非?；镜募?xì)菌生理學(xué)聯(lián)系在一起，因此，我認(rèn)為它可能具有普遍性。”