Биологи давно знают, что бактерии растут быстрее и больше, когда качество питательных веществ становится лучше, принцип в микробной физиологии, известный как «закон роста», который описывает взаимосвязь между средним размером клетки бактерий и скоростью их роста. они растут.
Но закон роста имеет большую дыру: он не может объяснить, почему бактерии делятся, когда они достигают определенного критического размера, независимо от того, сколько или как мало питательных веществ доступно.
Применяя математические модели к большому количеству экспериментов, в которых рост бактерий ингибируется, группа физиков, биологов и биоинженеров из Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружила причину этого и в процессе разработала «общий рост». закон», который объясняет происхождение этих идиосинкразий бактериальной физиологии.
Исследователи подробно описали свои достижения в статье, опубликованной в номере журнала Current Biology за эту неделю.
«Несколько лет назад мы решили провести масштабные эксперименты по подавлению роста, чтобы проверить закон роста, используя модельный организм Escherichia coli», - сказал Сакджун Джун, доцент кафедры физики и молекулярной биологии Калифорнийского университета в Сан-Диего. который руководил исследовательской работой. «Возможно, неудивительно, что первоначальный закон роста не мог объяснить изменения размера клеток при подавлении роста. Размер клеток либо увеличивался, либо уменьшался в зависимости от метода подавления. Иногда размер клеток вообще не менялся, несмотря на значительное подавление роста».
Джун и его коллеги обнаружили, что, когда клетки начинают воспроизводить свой генетический материал в процессе подготовки к клеточному делению, размер клетки остается удивительно постоянным, несмотря на множество генетических процессов и изменений в клетке, таких как синтез белка и ДНК, синтез клеточной стенки и форма клетки.
«Мы поняли, что этот неизменный размер клетки представляет собой фундаментальную единицу клеточных ресурсов, необходимых для начала роста и клеточного цикла, или, так сказать, «двигатель» автомобиля», - сказал Джун. клетка» является фундаментальным строительным блоком размера клетки, а размер клетки представляет собой сумму всех инвариантных элементарных ячеек для любых условий роста, что объясняет происхождение закона роста».
Джун сказал, что разработка методов высокопроизводительного отбора проб клеток и генетических методов, таких как «интерференция CRISPR», позволила его команде извлечь большие объемы физиологических данных из 10 миллионов бактериальных клеток в своих экспериментах по подавлению роста.
«Это позволило получить подробную и надежную статистику и привело к количественному моделированию, которое сделало экспериментально проверяемые прогнозы, помогая нам понять данные на более глубоком уровне», - добавил он. «Это дополняет неожиданный принцип «гадюки», открытый нами несколько лет назад."
Юн сказал, что этот процесс был подобен тому, как датский астроном Тихо Браге, собрав более точные данные об орбитах планет, четыре века назад смог убедить немецкого астронома Иоганна Кеплера в том, что орбиты планет, источником которых является гравитация, были эллипсами, а не кругами.
«Эллиптическая модель Кеплера ничего не говорила о физическом происхождении эллипсов, но его кинематическое моделирование стало важной отправной точкой для работы Ньютона над динамикой 50 лет спустя», - сказал Джун. «Мы не знаем, идет ли биология по стопам истории физики, но накапливаются примеры того, что некоторые разделы биологии становятся такой же количественной наукой, как и физика».