細(xì)菌可以使用蛋白質(zhì)分子的信號(hào)傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)控制它們的去向。AMOLF的科學(xué)家開發(fā)了一種顯微鏡方法，可以讓他們了解個(gè)體細(xì)菌如何利用這個(gè)網(wǎng)絡(luò)做出決策。他們發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的個(gè)性和情緒多種多樣。該團(tuán)隊(duì)于2017年12月12日在科學(xué)期刊eLife上發(fā)表了研究結(jié)果。

細(xì)菌是單細(xì)胞生物，沒有神經(jīng)系統(tǒng)，但能夠使用以特殊方式相互作用的蛋白質(zhì)分子網(wǎng)絡(luò)控制它們的運(yùn)動(dòng)，就像我們大腦中的神經(jīng)細(xì)胞回路一樣。“例如大腸桿菌，一種生活在我們腸道中的無害細(xì)菌，'知道'如何通過偶爾的翻滾來中斷其直接的游泳動(dòng)作，從而在一個(gè)新的，隨機(jī)的方向上將它打開，”AMOLF的組長(zhǎng)Tom Shimizu說。系統(tǒng)生物學(xué)組。“大腸桿菌利用傳感器蛋白來檢測(cè)食物分子或有毒化學(xué)物質(zhì)等物質(zhì)，以確定生命在游泳時(shí)是變質(zhì)還是變差，并控制它翻滾的頻率以確保它最終處于一個(gè)好的地方。”

放大單細(xì)胞

多年來，研究人員一直在研究細(xì)菌如大腸桿菌中的這些分子回路如何響應(yīng)周圍環(huán)境的變化，但這依賴于信號(hào)必須在數(shù)百個(gè)細(xì)胞上取平均值的實(shí)驗(yàn)。清水集團(tuán)的博士生Johannes Keegstra領(lǐng)導(dǎo)了開發(fā)顯微鏡方法的工作，該方法使研究人員能夠了解每種細(xì)菌中的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)如何響應(yīng)環(huán)境的變化，例如豐富的食物。

個(gè)性

實(shí)驗(yàn)中使用的細(xì)菌具有完全相同的DNA序列(如同卵雙胞胎)，并且也在相同的條件下生長(zhǎng)。然而，研究人員發(fā)現(xiàn)，每種蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)在相同的化學(xué)環(huán)境中表現(xiàn)不同。“每種細(xì)菌似乎都有自己的個(gè)性，”Keegstra說。“例如，我們發(fā)現(xiàn)細(xì)菌響應(yīng)的化學(xué)濃度在細(xì)菌之間差異很大。”

心情

除了細(xì)菌(個(gè)性)之間反應(yīng)的明顯差異外，Shimizu和Keegstra還發(fā)現(xiàn)，在每種細(xì)菌中，分子活性可能會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生顯著變化。他們目睹了細(xì)菌中蛋白質(zhì)分子相互作用以控制運(yùn)動(dòng)的方式不穩(wěn)定，但隨著時(shí)間的推移不斷變化，即使在“安靜”的環(huán)境中，食物或毒素的數(shù)量也沒有變化。細(xì)胞的這種“情緒化”意味著他們“決定”翻滾或直接游泳的機(jī)制不會(huì)得到穩(wěn)定的輸入，而是隨機(jī)變化的輸入。

研究人員認(rèn)為，這些不同的分子信息必須由細(xì)胞內(nèi)的偶然事件引起。“我們認(rèn)為，我們發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌個(gè)體不是由于自然界(DNA序列)或培育(環(huán)境特征)，而是由細(xì)菌單細(xì)胞內(nèi)的分子碰撞等隨機(jī)事件引起的，這是物理學(xué)家所稱的經(jīng)典例子。噪音'，“Shimizu說。“重要的是，細(xì)菌在實(shí)驗(yàn)過程中沒有產(chǎn)生任何新的蛋白質(zhì)。這意味著雖然人格差異可能是由于細(xì)菌之間蛋白質(zhì)水平的差異造成的，但情緒波動(dòng)必然是這些蛋白質(zhì)在每種蛋白質(zhì)相互作用中產(chǎn)生噪音的結(jié)果。細(xì)菌。“

隨機(jī)搜索食物

“我們對(duì)他們的情緒波動(dòng)有多么激烈感到驚訝，”Keegstra補(bǔ)充道。“而且因?yàn)槲覀冎兰?xì)菌可以阻止這些信使分子如此隨機(jī)地相互作用，我們認(rèn)為它們可能是出于某種目的而這樣做的。”

當(dāng)食物稀缺時(shí)，不穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)控制可能是有利的。在這種情況下，游戲不再是對(duì)感官線索(如氣味)的響應(yīng)，而是關(guān)于有效探索空間以尋找稀有資源的更多信息。氣質(zhì)細(xì)菌在探索大型無特征區(qū)域方面會(huì)做得更好，因?yàn)樗鼈兊那榫w有助于避免回到同一個(gè)地方。

Keegstra：“細(xì)菌的喜怒無常的差異可能意味著一些細(xì)菌充當(dāng)偵察員，探索遠(yuǎn)方地區(qū)偶爾但大幅增加，而其他細(xì)菌仍在附近并有效地利用當(dāng)?shù)刭Y源。這樣的分工可能對(duì)人口整體。“

生物化學(xué)網(wǎng)絡(luò)中對(duì)噪聲的新見解創(chuàng)造了生物技術(shù)機(jī)會(huì)，幫助工程師構(gòu)建系統(tǒng)(例如，產(chǎn)生胰島素的細(xì)菌)，這些系統(tǒng)要么對(duì)噪聲更加穩(wěn)健，要么最佳地利用它。關(guān)于細(xì)菌行為中更穩(wěn)定的差異(個(gè)性)的研究結(jié)果也可以影響針對(duì)病原菌的醫(yī)療策略，而不會(huì)傷害有益細(xì)菌。

AMOLF的研究與eLife共同發(fā)表了第二篇論文，“細(xì)菌化學(xué)感受網(wǎng)絡(luò)中緩慢活動(dòng)波動(dòng)的多種來源”，由馬克斯 - 普朗克微生物學(xué)研究所的R. Colin和V. Sourjik撰寫。