近日,我院微生物定量生物學課題組戴雄風博士與朱曼璐博士應邀在Taylor&Francis旗下微生物領(lǐng)域著名期刊《Critical Reviews in Microbiology》發(fā)表了題為“On the intrinsic constraint of bacterial growth rate: M. tuberculosis’s view of the protein translation capacity”。我院為第一兼通訊作者單位。
快速地以二分裂進行增殖是細菌最核心的特征之一。自然界中不同的細菌經(jīng)歷的營養(yǎng)環(huán)境包括營養(yǎng)的質(zhì)量與豐度千差萬別。在漫長的進化過程中,不同種類的細菌為了適應不同的生長環(huán)境,彼此之間產(chǎn)生了巨大的生長能力差異。不同細菌的最快分裂速度可以從15分鐘一代到數(shù)天一代。一些典型的例子如下:大腸桿菌、枯草芽孢桿菌、沙門氏菌以及霍亂弧菌最快生長速率為20分鐘一代;丁香假單胞菌屬最快生長速率為2-3小時一代;大豆慢生型根瘤菌、紅螺菌屬最快生長速率為5-6小時一代;最極端的例子如結(jié)核分枝桿菌即使在最快生長情況下分裂期也長至一天。類型的邏輯可以進一步延伸至真核細胞中,比如釀酒酵母最快生長速率為60分鐘一代;粗糙脈胞菌最快生長速率為50分鐘一代;而細小裸藻最快生長速率僅僅為十五個小時一代。此外在動物細胞中,增殖最快的腫瘤細胞最快生長速率可以達到14小時一代。酵母細胞與腫瘤細胞雖然是真核細胞,但在“頂層設(shè)計原理“上與快速增殖的細菌有驚人的相似性。如,上調(diào)核糖體合成、增大細胞體積、采用糖酵解無氧呼吸進行能量供應并大量分泌乙醇或乳酸等代謝廢物(“Warburg effect”)。
生長是細菌的核心特征。但是為什么不同種類的細菌有如此千差萬別的最大生長速率?生長能力的差異是為了適應什么而存在?這兩個問題是圍繞細菌的重要生命奧秘之一,也是微生物學領(lǐng)域基礎(chǔ)性、根本性的問題。目前人們對不同細菌生長能力差異的內(nèi)在限制因素認識極少,我們急需新的研究思路作為突破口。
為了簡化研究思路,該論文中采用結(jié)核分枝桿菌(M. tuberculosis,簡稱Mtb)作為模式研究生物。Mtb是結(jié)核?。ㄈ祟愖罟爬系囊环N疾病)的致病原。世界衛(wèi)生組織最新數(shù)據(jù)顯示,Mtb每年新增感染病例900萬例,造成300萬人的死亡,在全世界范圍內(nèi)潛伏感染20億人口。Mtb有一個匪夷所思的生長速率:最快為1天/代(大腸桿菌最快為20分鐘一代)。考慮到蛋白質(zhì)合成在細菌生長中的核心地位,在這篇理論研究論文中,戴雄風博士與朱曼璐博士從兩個不證自明的有關(guān)蛋白質(zhì)合成與核糖體合成的質(zhì)量守恒方程出發(fā),利用邏輯推理與數(shù)學演繹推導出了一個細菌生長法則的理論研究框架,包含了潛在的決定細菌生長的幾個數(shù)學參數(shù)(如核糖體翻譯延伸速率、參與合成rRNA的RNA聚合酶豐度等)。通過大量的搜集文獻信息,初步證明了該定量理論框架的正確性,為未來的系統(tǒng)性研究指明了方向。
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http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/1040841X.2018.1425672
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