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细菌使用不同的策略在压力下分裂和生存

在实验室条件下,许多常见的细菌繁殖并分成对称的一半。然而,在资源有限的现实世界中,条件对于这种精心策划的增长并不总是理想的。

芝加哥大学科学家的一项新研究表明,蓝藻(通过植物光合作用产生能量的细菌)如何改变它们生长和分裂的方式,以应对不同的光照水平。在典型的光照条件下,细胞保持相对较短并且对称分开。但随着光线变暗,细胞长得更长,分裂不均匀,导致两个不同长度的子细胞。研究人员认为,这可能是一种生存策略,它可以帮助这些细菌在不太理想的条件下生存。

“在现实世界中,大多数细菌生长在一些生长受限,营养不良的状态,他们偶尔会吃到他们可以吃的东西,”分子遗传学,细胞生物学和副教授Michael Rust博士说。物理学和该研究的高级作者。“进化所选择的可能是长期忍受饥饿并尽可能高效地利用这些稀有资源的能力。”

在新研究中,作为最新一期Cell Systems的封面文章,Rust和Yi Liao博士,他的实验室的博士后研究员,使用延时成像来追踪细长聚球藻(Synechococcus elongatus)的细胞分裂形蓝藻。研究人员发现,在昏暗的光照条件下,细胞通过限制其能量来对细胞产生压力,因此S. elongatuscells的生长时间比平常长。当灯重新向上时,短于8微米的单元仍然对称地分开,但是在该长度之上,分隔变得不均匀,通常产生一个短的子(约3微米)和更长的子。

在许多细菌中,母细胞分裂为两个的位置由称为Min系统的东西控制,Min系统是一组在细胞内移动的蛋白质。在典型的短细胞中,一种蛋白质MinC在一端聚集,然后每隔几分钟移动到另一端。当它们来回反弹时,MinC蛋白质在末端花费更多时间而在细胞中间花费更少,就像在中间挤压水气球并来回摆动它一样。由于MinC抑制细胞分裂,这种振荡在细胞分裂的中间产生一种弱点。

为了确定Min系统是否也是长细胞中不对称分裂的原因,Liao和Rust用荧光标记标记了MinC蛋白质,让它们跟随它的运动。他们发现Min系统根据细胞长度呈现出不同的模式。蛋白质在短细胞中保持一种特有的,来回振荡的模式,但它们在较长的细胞中形成了多种动态模式,包括多波段振荡,行波和其他更复杂的模式。在长细胞中的所有这些模式中,从细胞末端开始看到没有MinC的区域约3微米,允许细胞偏离中心并形成特定大小的短子。

“我们认为模式会发生变化,因为它几何敏感,所以它可以适应不断变化的细胞大小,”廖说。“形成这些不同模式的能力允许较短的细胞对称分裂,较长的细胞产生短的子细胞。”

Rust和廖说,他们不确定为什么细菌在压力条件下分成不同的长度,或者一个长度是否比另一个长度更有优势。可能是较小的细胞能够更好地操纵以寻找资源。伸长自身可以使细胞具有更大的表面积,在昏暗的条件下吸收光线。甚至有证据表明长度是病原体的防御机制,因为免疫细胞很难吞噬真正长的细菌细胞。

无论哪种方式,Rust说了解细菌如何在现实世界条件下生长和分裂可能有助于使用抗生素的策略。例如,细胞可能需要一定的长度才能感染某人,或者它们只是伸长自己而不是分裂以克服艰难时期。研究人员可以利用这一优势,设计干扰闽系统的方法,并破坏细菌生存的伎俩。

“这是一个完整的隐藏世界,生物学的次优条件,”鲁斯特说。“我们可以理解生物如何在困难的环境中生长和繁荣,这可能揭示生命行为的新规则。”

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