Группа исследователей со всего кампуса Принстонского университета объединилась, чтобы определить, как реагируют бактерии кишечной палочки, когда они лишены трех основных питательных веществ: углерода, азота и фосфора.
Они были удивлены, обнаружив, что у бактерий есть разные стратегии для борьбы с каждым из ограничений питательных веществ. Что еще более удивительно, когда углерод был ограничен, E. coli отреагировала созданием своей инфраструктуры по производству белка, по сути готовясь к тому дню, когда углерод снова будет в изобилии.
«E. coli обладает этим существенным оптимизмом - она ожидает, что в будущем у нее будет доступ к большему количеству углерода», - сказал Земер Гитаи, профессор биологии Эдвина Гранта Конклина и старший автор статьи, опубликованной в Интернете 23 июля. из Природной микробиологии. Все семеро соавторов - ученые Принстона из шести факультетов.
Можно представить себе клетку как игрушечную фабрику, заполненную отдельными сборочными линиями (рибосомами), производящими игрушки (белки), сказал Гитай. Углерод и азот являются ключевыми компонентами игрушек, а фосфор жизненно важен для сборочных линий.
«Когда ресурсов становится мало, ячейка должна принять решение», - сказал Гитаи. «Как правильно использовать материалы - доступные ресурсы? Собираюсь ли я выделить ресурсы на создание большего количества сборочных линий или большего количества игрушек?»
«Игрушки», белки, являются фундаментальными строительными блоками, которые позволяют клеткам расти, делиться или увеличиваться в массе. Чем быстрее клетка производит белки, тем быстрее она растет. Ученым уже несколько десятилетий известно, что существует прямая линейная зависимость между количеством рибосом (сборочных линий) и скоростью производства белка (игрушки) в E. coli. Это привело к широко распространенной теории о том, что каждая из этих сборочных линий «оптимизирована» и постоянно работает с максимальной эффективностью, чтобы производить белки как можно быстрее.
«Удивительно, но текущее исследование радикально меняет эту точку зрения», - сказал Нед Вингрин, профессор Говарда А. Прайора в области наук о жизни и профессор молекулярной биологии Института интегративной геномики Льюиса-Сиглера (LSI), который также был автором-корреспондентом в статье.
Исследовательская группа обнаружила, что, когда они ограничивали доступ к углероду и азоту, ключевым ингредиентам игрушек, клетки росли медленно, но неуклонно, а также производили все больше и больше сборочных конвейеров, которые простаивали.
«При крайнем ограничении содержания углерода около половины рибосом - половина сборочных линий - даже не работают», - сказал Гитаи.«Это кажется нелогичным, не так ли? Это кажется расточительством. Зачем строить свой завод, чтобы у вас было в два раза больше сборочных линий, чем вам нужно, и при этом не запускать половину ваших сборочных линий? Мы утверждали, что это может быть полезно для наращивания производства, когда времена меняются., и, конечно же, это то, что мы видели."
Эти бактерии живут в условиях голода или пира, таких как человеческий кишечник, где длительный голодный период может закончиться внезапным появлением чизбургера. «Когда поступают все эти новые питательные вещества, у вас появляется возможность производить быстрее», - сказал Гитаи. «Вы уже построили все эти сборочные линии - они готовы, и теперь они могут взлететь, теперь вы можете обойти своих конкурентов в пух и прах, потому что вам не нужно вкладывать средства во всю эту инфраструктуру, делая все эти новые сборочные линии., Вы их настроили."
Это имеет интересные последствия для стратегий конкуренции с E. coli, говорит аспирантка Синь-Юнг (София) Ли, которая является первым автором статьи.«Возможно, цель бактерий не в том, чтобы максимизировать текущий рост», - сказала она. «Возможно, они готовятся к лучшим временам - более дальновидным».
«В целом, эта работа дает новый взгляд на бактерии и, возможно, на другие организмы, предполагая, что они эволюционировали не только для того, чтобы справляться с текущими условиями, но и для жизни в меняющемся мире», - сказал Уингрин.
«Это было захватывающее путешествие», - сказал Джунён Пак, доктор философии 2016 года. выпускник в области химической и биологической инженерии, который в настоящее время является профессором химической и биомолекулярной инженерии в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. «Мы начали с простого наблюдения - отношения РНК к белку, характерного для питательных веществ, - но закончили захватывающим пониманием стратегии клеточной конкуренции».
Е. Исследователи обнаружили, что coli использует разные стратегии, когда различные питательные вещества ограничены. «Клетки с ограниченным содержанием углерода создают большое количество неактивных сборочных линий», - сказал Ли.«Клетки с ограниченным содержанием азота производят продукцию медленнее. Но клетки с ограниченным содержанием фосфора - это была захватывающая часть - используют вдвое меньше сборочных линий для производства того же количества игрушек».
Сборочные линии рибосом зависят от РНК, которая богата фосфором, поэтому, ограничивая ее доступность, исследователи, по сути, сделали ингредиенты для игрушек дешевыми, а сборочные линии очень дорогими.
"Первое удивление заключалось в том, что здесь есть история, связанная с питательными веществами, что мы достигли одинаковой скорости роста тремя разными способами", - сказал Гитаи. «Но настоящим сюрпризом стал фосфор. Мы обнаружили, что если мы сделаем сборочные линии более дорогими, вдруг те же самые сборочные линии смогут выпускать игрушки с той же скоростью, используя вдвое меньше сборочных линий. и в условиях ограниченного азота эти сборочные линии на самом деле работали не так быстро, как могли бы».
Это опровергло давнюю модель оптимизированной рибосомы и побудило исследователей исследовать механизмы, действующие в рибосомах, используя комбинацию количественных экспериментов под руководством Ли, подкрепленных моделированием и теоретической работой Уингрина. и Чжиюань Ли, научный сотрудник Принстонского центра теоретических наук. Они также сотрудничали с Кристофером Кингом, который в 2017 году получил диплом по физике, и Джошуа Рабиновичем, профессором химии и LSI.
Преобразование огромного количества биологических данных в четкую теорию иллюстрирует «прелесть» науки о данных, сказал Чжиюань Ли, от обработки измерений в «отдельные жемчужины, а затем нанизывания их вместе в красивое ожерелье с помощью математического моделирования». который раскрывает основные связи."
«Эта статья является большим вкладом в сообщество», - сказал Рон Мило, главный исследователь отдела растений и наук об окружающей среде Института науки Вейцмана, который не участвовал в этом исследовании. «Это дает нам лучшее представление о том, как клетки принимают решения относительно распределения своих ресурсов, что может иметь отношение к биотехнологическому производству химических веществ с добавленной стоимостью».
Исследование также поднимает новый вопрос, сказал Гитаи: «Многие виды бактерий используют эту стратегию? Вы можете себе представить, что в сообществе бактерий есть виды, настроенные оптимистично, и некоторые, которые настроены пессимистично.… Это своего рода привлекательная идея, что именно этот «вечный оптимизм» кишечной палочки позволяет ей выбирать, если хотите, между немедленной выгодой и долгосрочной перспективой. В плохие времена он скажет: «Хорошо, я не собираюсь беспокоиться о том, чтобы сделать все, что в моих силах, прямо сейчас, но я подготовлюсь к тому, когда времена наладятся».
Одним из самых больших сюрпризов исследования стало то, что у такой тщательно изученной бактерии все еще есть хитрости в рукаве микроскопа, сказала София Ли. «Даже кишечная палочка, возможно, самый изученный организм, все еще может преподнести нам новые сюрпризы и интересные биологические знания для изучения».