細菌使用不同的策略在壓力下分裂和生存
在實驗室條件下,許多常見細菌繁殖并分成對稱的一半。然而,在資源有限的現(xiàn)實世界中,條件并不總是理想的這種精心策劃的增長。芝加哥大學科學家的一項新研究表明,藍藻(通過植物光合作用產(chǎn)生能量的細菌)如何改變它們生長和分裂的方式,以響應(yīng)不同的光照水平。在典型的光照條件下,細胞保持相對較短并且對稱分開。但隨著光線變暗,細胞長得更長,分裂不均勻,導致兩個不同長度的子細胞。研究人員認為,這可能是一種生存策略,它可以幫助這些細菌在不太理想的條件下生存。
“在現(xiàn)實世界中,大多數(shù)細菌生長在一些生長受限,營養(yǎng)不良的狀態(tài),他們偶爾會吃到他們可以吃的東西,”分子遺傳學,細胞生物學和副教授Michael Rust博士說。物理學和該研究的高級作者。“進化所選擇的可能是長期忍受饑餓并盡可能高效地利用這些稀有資源的能力。”
在新研究中,作為最新一期Cell Systems的封面文章,Rust和Yi Liao博士,他的實驗室的博士后研究員,使用延時成像跟蹤Synechococcus elongatus中的細胞分裂形藍藻。研究人員發(fā)現(xiàn),在昏暗的光照條件下,細胞通過限制能量來對細胞產(chǎn)生壓力,因此S. elongatuscells的生長時間比平常長。當燈重新向上時,短于8微米的單元仍然對稱地分開,但是在這個長度之上,分隔變得不均勻,通常產(chǎn)生一個短的子(約三微米)和一個較長的子。
在許多細菌中,母細胞分裂為兩個的位置由稱為Min系統(tǒng)的東西控制,Min系統(tǒng)是一組在細胞內(nèi)移動的蛋白質(zhì)。在典型的短細胞中,一種蛋白質(zhì)MinC在一端聚集,然后每隔幾分鐘移動到另一端。當它們來回反彈時,MinC蛋白質(zhì)在末端花費更多時間而在細胞中間花費較少,就像在中間擠壓水氣球并來回擺動它一樣。由于MinC抑制細胞分裂,這種振蕩在細胞分裂的中間產(chǎn)生一種弱點。
為了確定Min系統(tǒng)是否也是較長細胞中不對稱分裂的原因,Liao和Rust用熒光標記標記MinC蛋白質(zhì),讓它們跟隨其運動。他們發(fā)現(xiàn)Min系統(tǒng)根據(jù)細胞長度呈現(xiàn)不同的模式。蛋白質(zhì)在短細胞中保持一種特有的,來回振蕩的模式,但它們在較長的細胞中形成了多種動態(tài)模式,包括多波段振蕩,行波和其他更復雜的模式。在長細胞中的所有這些模式中,從細胞末端開始看到?jīng)]有MinC的區(qū)域約3微米,允許細胞偏離中心并形成特定大小的短子。
“我們認為模式會發(fā)生變化,因為它幾何敏感,所以它可以適應(yīng)不斷變化的細胞大小,”廖說。“形成這些不同模式的能力允許較短的細胞對稱分裂,較長的細胞產(chǎn)生短的子細胞。”
Rust和廖說,他們不確定為什么細菌在壓力條件下分成不同的長度,或者一個長度是否比另一個長度更有優(yōu)勢??赡苁禽^小的細胞能夠更好地操縱以尋找資源。伸長自身可以使細胞具有更大的表面積,以在昏暗的條件下吸收光。甚至有證據(jù)表明長度是病原體的防御機制,因為免疫細胞很難吞噬真正長的細菌細胞。
無論哪種方式,魯斯特說,了解細菌如何在現(xiàn)實世界條件下生長和分裂可能有助于使用抗生素的策略。例如,細胞可能需要一定的長度才能感染某人,或者它們只是伸長自身而不是分裂以克服艱難時期。研究人員可以利用這一優(yōu)勢,設(shè)計出干擾Min系統(tǒng)的方法,并破壞細菌生存的伎倆。
“這是一個完整隱藏的次生條件生物學世界,”魯斯特說。“我們可以理解生物如何在困難的環(huán)境中生長和繁榮,這可能揭示生命行為的新規(guī)則。”
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