В своей классической комедийной программе «Место для ваших вещей» Джордж Карлин утверждает, что весь смысл жизни заключается в том, чтобы найти место подходящего размера для ваших вещей. То, что верно для людей, верно и для бактерий.
Подобно тому, как люди бесконечно вычисляют, как увеличить или уменьшить размер, бактерии постоянно регулируют свой объем (свое вещество), чтобы поместиться внутри своей мембраны (своего пространства). Как они это делают, не очевидно: лаборатория Петры Левин в Вашингтонском университете в Сент-Луисе. Луи потратил годы, пытаясь понять это.
Лаборатория добилась значительных успехов, но все еще не могла полностью объяснить, почему некоторые клетки вырастают в два или три раза больше других. Поэтому они попробовали новый подход, рассматривая биосинтез, а не контроль клеточного цикла (координацию деления и роста), который долгое время был в центре внимания в области клеточных размеров.
Из этой работы вышло потрясающе простое откровение, опубликованное в Интернете 19 июня в журнале Current Biology. Жир (липиды) ограничивает размеры бактериальных клеток. «Если вы мешаете клеткам производить жир, они становятся меньше, а если вы даете им дополнительный жир или позволяете им производить больше жира, они становятся больше», - сказал Левин, профессор биологии в области искусств и наук. «Жир делает клетки жирными».
«Это имеет смысл, если подумать о том, что делают липиды», - сказал Стивен Вадиа, научный сотрудник лаборатории Левина и ведущий автор статьи. «Мембрана, которая определяет границу между внутренней и внешней частью клетки, почти полностью состоит из жира. Так что неудивительно, что синтез жира ограничивал размер клеток.
"Я подумал: "Ну, теперь, когда я вижу перед собой данные, это кажется довольно очевидным", - добавил он, смеясь.
Подделка ячеек
Ученые много лет грызли эту конкретную кость. По словам Вадии, основной вопрос восходит к исследованиям, проведенным в 1950-х годах. Ученые выращивали бактерии Salmonella typhimurium в более чем 20 различных средах с различным составом питательных веществ. На бедных питательными веществами средах клетки росли медленно и были мелкими; в среде, богатой питательными веществами, они росли быстрее и были крупнее.
"Это основное наблюдение, которое мы пытаемся понять", сказал Вадя. «Почему быстро растущие клетки, получающие много питательных веществ, в конечном итоге становятся намного больше, чем медленно растущие клетки в бедной питательными веществами среде?»
Клетки в среде с низким содержанием питательных веществ составляют от половины до одной трети размера жировых клеток в среде, богатой питательными веществами, сказал он. Предыдущая работа в лаборатории Левина позволила объяснить 20-процентную разницу в размерах, но до сих пор не удалось понять, чем вызвана дополнительная 80-процентная усадка.
«В конечном счете, то, что клетки делают с питательными веществами, - это разбирают их и используют в качестве строительных блоков для синтеза новых молекул», - сказал Вадия. «Поэтому мы задались вопросом, связана ли биосинтетическая способность с различиями в размерах. И если за этим стоял биосинтез, была ли это биосинтетическая способность в целом? Или для размера клетки важны определенные пути биосинтеза?»
Чтобы выяснить это, они добавили антибиотики к культурам Escherichia coli и Bacillus subtilis, которые по отдельности ингибировали каждый из трех основных путей биосинтеза. Ингибирование синтеза РНК или синтеза белка оказывало незначительное влияние на размер клетки. «Но если мы воздействуем на клетки антибиотиком, который нацелен на синтез жирных кислот, мы действительно увидим значительное уменьшение размера клеток», - сказал Вадия.
Затем они попытались пойти в другом направлении, включив FadR, фактор транскрипции, который активирует экспрессию генов синтеза жирных кислот. Когда они использовали антибиотик для подавления синтеза жирных кислот, клетки были меньше. Но когда они увеличили производство FadR для увеличения синтеза жирных кислот, клетки стали больше.
«Похоже, не имеет значения, что это за липиды, - сказал Левин, - если у вас их достаточно. Мы обнаружили, что можем дать клеткам олеиновую кислоту, жир, содержащийся в авокадо и оливковом масле»., чтобы дополнить уменьшенный синтез жирных кислот, и пока добавленная жирная кислота попадала в мембрану, клетки могли восстанавливаться».
В отличие от многих клеточных процессов, этот, по-видимому, не регулируется сложной сетью белковых сигналов, сказала она. Мембрана буквально представляет собой просто мешок, и размер этого мешка определяет, насколько большой может вырасти клетка.
"Я была удивлена, что липиды настолько доминируют над белками, потому что их как бы игнорировали", сказала она.
"Люди не думают о липидах", - сказал Вадя. «Вероятно, это восходит к центральной догме биологии, которой нас всех учили: ДНК делает РНК делает белок, а белки делают все. Липиды считались второстепенными».
Бью тревогу
Но ученые еще не закончили. «Мы знали, что мутанты, которые не могли производить сигнальную молекулу, называемую гуанозинтетрафосфатом (ppGpp), были очень чувствительны к веществам, ингибирующим синтез липидов, но никто толком не понимал, почему», - сказал Левин..
Итак, затем лаборатория провела эксперименты, чтобы отследить роль ppGpp в размере клетки. «Эта молекула - сигнал тревоги», - сказал Вадия. Если кишечная палочка попадает в ужасные условия жизни, она начинает синтезировать ppGpp, который останавливает синтез ДНК, синтез белка, синтез жирных кислот и производство рибосом, переводя клетки в квазиспящее состояние (это называется «строгим ответом»).).
В условиях, богатых питательными веществами, уровни ppGpp чрезвычайно низки, но когда бактериальные клетки начинают голодать, они начинают расти.
Чтобы выяснить больше, Вадиа подверг мутантную кишечную палочку, которая не может производить ppGpp, воздействию антибиотика, подавляющего синтез жирных кислот. Способные делать больше вещей, но неспособные сделать большую сумку, чтобы положить их, клетки начали лизироваться, треща по швам.
«Это похоже на Невероятного Халка», - сказал Левин. «Повышение уровня ppGpp говорит клетке: «Хорошо, мы не производим достаточное количество липидов; вы должны отказаться от этих других вещей, которые вы производите, или мы прорвемся сквозь нашу одежду».
Опять же, ученые попытались сдвинуть дело с мертвой точки. Они выращивали клетки, которые продуцировали как ppGpp-синтазу, так и FadR. Таким образом, у этих клеток был высокий уровень ppGpp даже в условиях, богатых питательными веществами, что обычно делает их маленькими, но у них также был высокий уровень FadR, что позволяло им использовать доступные питательные вещества для увеличения синтеза липидов.
Получив достаточное количество липидов, чтобы вырастить большую сумку, эти клетки набухли
«Таким образом, липиды действительно определяют размер всего остального», - сказал Левин. «Есть сигнальный путь, который говорит: «Хорошо, мы становимся слишком большими для наших штанов, мы должны закрыться, перестать так много есть, перестать так много зарабатывать».
«Это верно для эукариот Saccharomyces cerevisiae (дрожжи), а также для E. coli и B. subtilis», - сказала она. «Возможно, это правда - я был бы шокирован, если бы это было не так - для всех организмов: липиды ограничивают размер отдельных клеток».
Левин продолжил: «Эти эксперименты - самое забавное, что мы когда-либо делали. Так много идей, которые были плохо определены, внезапно обрели фокус, на что надеется каждый ученый-исследователь».