细菌可以生长多大取决于它们可以制造多少脂肪

  为了找到答案,他们将抗生素添加到大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的培养物中,这些培养物分别抑制了三种主要生物合成途径中的每一种。抑制RNA合成或蛋白质合成对细胞大小的影响可忽略不计。“如果我们用抗生素靶向脂肪酸合成细胞,我们确实看到细胞大小明显下降,”Vadia说。

  乔治卡林(George Carlin)在他的经典喜剧节目“适合你的事物的地方”中辩称,生活的重点是为你拥有的东西找到一个适当大小的空间。人们对细菌也是如此。正如人们无休止地计算如何增大或减小尺寸一样,细菌会不断调整其体积(它们的东西)以适应它们的膜(它们的空间)。他们如何做到这一点并不明显:佩特拉莱文在圣路易斯华盛顿大学的实验室花了数年时间试图解决这个问题。

  该实验室取得了相当大的进展,但仍无法完全解释为什么有些细胞长到其他细胞的两到三倍。因此,他们尝试了一种新方法,研究生物合成而非细胞周期控制(分裂和生长的协调),这一直是细胞大小领域的焦点。

  “当你考虑脂质的作用时,这是有道理的,”莱文实验室的博士后研究员斯蒂芬瓦迪亚说道,他是该报的主要作者。“定义细胞内外之间界限的膜几乎全部都是脂肪。所以脂肪合成会限制细胞大小并不奇怪。

  同样,科学家也试图以另一种方式推动事物。他们生长的细胞过量产生了ppGpp合成酶和FadR。所以这些细胞具有高ppGpp,即使在营养丰富的条件下,通常会使它们变小,但它们也具有高FadR,这使它们能够利用可利用的营养素来增加脂质 合成。

  “我想,好吧,这看起来非常明显,现在我看到了我面前的数据,”他补充道,笑着说道。

  科学家们多年来一直在啃这种特殊的骨头。瓦迪亚说,基本问题可以追溯到20世纪50年代所做的研究。科学家在20多种不同培养基中培养了鼠伤寒沙门氏菌,其营养成分各不相同。在营养不良的培养基中,细胞生长缓慢而且很小; 在营养丰富的培养基中,它们生长得更快,更大。

  接下来,实验室进行了实验,以追踪ppGpp在细胞大小中的作用。Vadia说,这种分子是一种警报信号。如果大肠杆菌遇到可怕的生存条件,它就开始合成ppGpp,这会关闭DNA合成,蛋白质合成,脂肪酸合成和核糖体生成,使细胞处于准休眠状态(这被称为“严格的反应”) )。

  她表示,与许多细胞过程不同,这一过程似乎并未受到精心设计的蛋白质信号网络的调控。膜实际上只是一个袋子,袋子的大小决定了细胞的生长程度。

  但是科学家还没有完成。“我们知道,不能制造称为鸟苷四磷酸(ppGpp)的信号分子的突变体对抑制脂质合成的物质非常敏感,但没有人真正理解为什么,”莱文说。

  他说,营养不良培养基中的细胞大约是营养丰富培养基中脂肪细胞大小的三分之一到三分之一。Levin实验室之前的工作已经能够占到这个尺寸差异的20%,但仍然不明白造成80%额外收缩的原因。“最终,细胞对营养素的作用是将它们分开并用它们作为构建块来合成新分子,”Vadia说。“因此,我们想知道生物合成能力是否与尺寸差异有关。如果生物合成背后,生物合成能力一般吗?还是特殊的生物合成途径对细胞大小很重要?”

  “这就像不可思议的绿巨人,“ppGpp的上升水平告诉细胞,好吧,我们没有制造足够的脂质;你必须拒绝你正在制造的其他东西,否则我们会穿透衣服。”

  6月19日在线生物学在线发表了一篇非常简单的启示。脂肪(脂质)限制细菌细胞的大小。“如果你防止细胞产生脂肪,它们会变小,如果你给它们多余的脂肪或者让它们产生更多的脂肪,它们就会变大,”艺术与科学生物学教授莱文说。“脂肪让细胞发胖。”

  接下来,他们尝试通过调高FadR来推动另一个方向,FadR是一种激活脂肪酸合成基因表达的转录因子。当他们使用抗生素拒绝脂肪酸合成时,细胞变小。但当它们过量生产FadR以增加脂肪酸合成时,细胞变大了。

  “这似乎并不重要,脂肪是什么,真的,”莱文说,“只要你有足够的脂肪。我们发现我们可以给细胞油酸,一种在鳄梨和橄榄油中发现的脂肪,以补充脂肪减少 - 酸合成,只要添加的脂肪酸进入膜,细胞就能恢复。“

  “对于真核生物Saccharomyces cerevisiae(酵母)以及大肠杆菌和枯草芽孢杆菌来说,情况确实如此,”她说。“这可能是真的 - 如果它不是跨越所有生物体,我会感到震惊:脂质会限制单个细胞的大小。”

  “人们不会考虑脂质,”瓦迪亚说。“它可能追溯到生物学的核心教条,我们都被教导:DNA使RNA产生蛋白质,蛋白质可以做任何事。”

  “这是我们试图理解的基本观察,”瓦迪亚说。“为什么快速生长的细胞在营养不良的环境中比缓慢生长的细胞大得多?”

  为了弄清楚更多,Vadia暴露了一种大肠杆菌突变体,它无法使ppGpp成为阻断脂肪酸合成的抗生素。能够制作更多的东西,但无法制作更大的袋子,细胞开始溶解,在接缝处破裂。

  在营养丰富的条件下,ppGpp水平极低,但随着细菌细胞开始饥饿,它们开始上升。

  莱文继续说:“这些实验是我们做过的最有趣的事情。许多不明确的想法突然成为焦点,这是每个研究科学家所希望的。”

  “所以脂质确实决定了其他一切的大小,”莱文说。“有一条信号通道说,好吧,我们对我们的婊子来说太大了,我们不得不关闭,停止吃这么多,停止做这么多。细菌可以生长多大取决于它们可以制造多少脂肪

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