喬治·卡林(George Carlin)在他的經(jīng)典喜劇節(jié)目“適合你的事物的地方”中辯稱，生活的重點是為你擁有的東西找到一個適當(dāng)大小的空間。人們對細(xì)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(xì)菌會不斷調(diào)整其體積(它們的東西)以適應(yīng)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(xué)的實驗室花了數(shù)年時間試圖解決這個問題。

該實驗室取得了相當(dāng)大的進展，但仍無法完全解釋為什么有些細(xì)胞長到其他細(xì)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(xì)胞周期控制(分裂和生長的協(xié)調(diào))，這一直是細(xì)胞大小領(lǐng)域的焦點。

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

“當(dāng)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(xì)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(xì)胞大小并不奇怪。

“我想，'好吧，這看起來非常明顯，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(xì)胞

科學(xué)家們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(jì)50年代所做的研究?？茖W(xué)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(xì)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(xì)胞在營養(yǎng)不良的環(huán)境中比緩慢生長的細(xì)胞大得多?”

他說，營養(yǎng)不良培養(yǎng)基中的細(xì)胞大約是營養(yǎng)豐富培養(yǎng)基中脂肪細(xì)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%，但仍然不明白造成80%額外收縮的原因。“最終，細(xì)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?還是特殊的生物合成途徑對細(xì)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的培養(yǎng)物中，這些培養(yǎng)物分別抑制了三種主要生物合成途徑中的每一種。抑制RNA合成或蛋白質(zhì)合成對細(xì)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(xì)胞，我們確實看到細(xì)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(dá)的轉(zhuǎn)錄因子。當(dāng)他們使用抗生素拒絕脂肪酸合成時，細(xì)胞變小。但當(dāng)它們過量生產(chǎn)FadR以增加脂肪酸合成時，細(xì)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(xì)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(xì)胞就能恢復(fù)。“

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

“我很驚訝脂質(zhì)在蛋白質(zhì)上占據(jù)主導(dǎo)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(xué)的核心教條，我們都被教導(dǎo)：DNA使RNA產(chǎn)生蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)可以做任何事。脂質(zhì)被認(rèn)為是一種副作用。”

提高警報

但是科學(xué)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(xì)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(xì)胞處于準(zhǔn)休眠狀態(tài)(這被稱為“嚴(yán)格的反應(yīng)”) )。

在營養(yǎng)豐富的條件下，ppGpp水平極低，但隨著細(xì)菌細(xì)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，它無法使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(xì)胞開始溶解，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(xì)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(xué)家也試圖以另一種方式推動事物。他們生長的細(xì)胞過量產(chǎn)生了ppGpp合成酶和FadR。所以這些細(xì)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(xì)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，我們對我們的婊子來說太大了，我們不得不關(guān)閉，停止吃這么多，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)會限制單個細(xì)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(xué)家所希望的。”