研究解釋了細(xì)菌孢子形成的遺傳電路

由賴斯大學(xué)生物工程研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個團隊已經(jīng)解釋了一些細(xì)菌在非常艱難的時期用來做出生死決定的機制。解讀細(xì)菌如何應(yīng)對壓力可以產(chǎn)生新的線索，用于對抗食物腐敗和控制食源性病原體。這項新研究發(fā)表在“ 分子系統(tǒng)生物學(xué)”上，揭示了一個關(guān)于該領(lǐng)域基本問題之一的長期爭論：是什么原因?qū)е聣毫^大的細(xì)菌急劇停止正常功能并形成孢子?

“我們這個領(lǐng)域的人們早就想知道的是，像芽孢桿菌這樣的孢子形成細(xì)菌怎么做出這個決定?” 該研究的共同作者，萊斯生物工程副教授，萊斯理論生物物理中心(CTBP)高級研究員Oleg Igoshin說。“是否存在一種特定的生物化學(xué)觸發(fā)因素，可以激活一種網(wǎng)絡(luò)蛋白質(zhì)，還是孢子形成更多的一般生理反應(yīng)?”

為了形成一種能夠在沒有食物的情況下存活多年的硬殼孢子，生物體必須將其能量注入孢子形成。太快成為孢子可能會導(dǎo)致死亡 - 來自鄰居的競爭 - 不斷增加 - 但是在孢子完成之前，延遲決定會導(dǎo)致饑餓死亡。

“這是一個高風(fēng)險的決定，這表明決策機制是通過強烈的進化壓力產(chǎn)生的，”Igoshin說。“有機體也可能采用同樣的機制做出其他關(guān)鍵決定。”

枯草芽孢桿菌是一種常見的土壤細(xì)菌和著名的幸存者。它對人體無害，甚至在一些傳統(tǒng)食品中用作益生菌。它是如此擅長形成孢子，它是研究孢子形成的生物學(xué)家的首選模式生物。

大約十年前，計算生物學(xué)家Igoshin開始研究枯草芽孢桿菌用于制定孢子形成決定的調(diào)控基因。他和他的實驗室成員解釋了實驗合作者的工作，并開發(fā)了計算機模擬來破譯監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)的工作，例如枯草芽孢桿菌用來做出決定的開關(guān)，反饋回路和信號放大器。

2012年，Igoshin和研究生Jatin Narula展示了監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)如何采用一系列嵌套的“前饋”環(huán)路來過濾信號噪聲，并在2015年揭示了網(wǎng)絡(luò)的計時機制，這是一種利用生物體的鐘狀DNA復(fù)制的電路周期。

在以2015年工作為基礎(chǔ)的新研究中，Narula，Igoshin和合作者使用他們的計算機模型來展示一般的生理線索 - 細(xì)胞生長的減緩 - 如何能夠引發(fā)枯草芽孢桿菌的孢子形成決定。Igoshin說，孢子形成網(wǎng)絡(luò)對細(xì)胞以基本恒定的速率產(chǎn)生的關(guān)鍵蛋白質(zhì)的濃度非常敏感。在饑餓期間，當(dāng)細(xì)胞的生長速度減慢時，這種蛋白質(zhì)的濃度增加，細(xì)菌更容易形成孢子。Rice的理論工作在加州大學(xué)圣地亞哥分校的共同作者GürolSüel的實驗室進行了實驗測試。

由Süel實驗室的兩名研究生Anna Kuchina和Fang Zhang進行的實驗證實了主要的模型預(yù)測：只有那些減緩其生長超過閾值的細(xì)胞才會進行孢子形成。實驗數(shù)據(jù)表明，孢子形成網(wǎng)絡(luò)蛋白質(zhì)的數(shù)量 - 而不是蛋白質(zhì)的活性 - 受到細(xì)胞生長的調(diào)節(jié)，這一發(fā)現(xiàn)與孢子形成具有特定生物化學(xué)觸發(fā)的理論相矛盾。

Igoshin說，這一發(fā)現(xiàn)對食品安全和一般微生物學(xué)具有重要意義。

“一些枯草芽孢桿菌近親的孢子形成是食品保鮮行業(yè)的一大麻煩，因為許多孢子可以在沸騰的溫度下存活，”Igoshin說。“為了殺死這些孢子，你需要同時施加熱量和高壓。所以人們一直在尋找抑制孢子形成的其他方法。如果特定分子引發(fā)孢子形成，那么可能會發(fā)現(xiàn)一種藥物可以阻斷這種分子，但是我們的研究表明，孢子形成是一種普遍的生理反應(yīng)，食品安全工程師需要尋找其他控制方法。

“此外，這種機制很有可能控制其他細(xì)菌物種的關(guān)鍵決策，”他說。“它與非?；镜募?xì)菌生理學(xué)聯(lián)系在一起，因此，我認(rèn)為它可能具有普遍性。”

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