微生物定量生物学实验室在细菌生长法则领域取得理论性进展

来源:作者:发稿时间:2018-03-02浏览次数:

       近日,我院微生物定量生物学课题组戴雄风博士与朱曼璐博士应邀在Taylor&Francis旗下微生物领域著名期刊《Critical Reviews in Microbiology》发表了题为“On the intrinsic constraint of bacterial growth rate: M. tuberculosis’s view of the protein translation capacity”。我院为第一兼通讯作者单位。

         快速地以二分裂进行增殖是细菌最核心的特征之一。自然界中不同的细菌经历的营养环境包括营养的质量与丰度千差万别。在漫长的进化过程中,不同种类的细菌为了适应不同的生长环境,彼此之间产生了巨大的生长能力差异。不同细菌的最快分裂速度可以从15分钟一代到数天一代。一些典型的例子如下:大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、沙门氏菌以及霍乱弧菌最快生长速率为20分钟一代;丁香假单胞菌属最快生长速率为2-3小时一代;大豆慢生型根瘤菌、红螺菌属最快生长速率为5-6小时一代;最极端的例子如结核分枝杆菌即使在最快生长情况下分裂期也长至一天。类型的逻辑可以进一步延伸至真核细胞中,比如酿酒酵母最快生长速率为60分钟一代;粗糙脉胞菌最快生长速率为50分钟一代;而细小裸藻最快生长速率仅仅为十五个小时一代。此外在动物细胞中,增殖最快的肿瘤细胞最快生长速率可以达到14小时一代。酵母细胞与肿瘤细胞虽然是真核细胞,但在顶层设计原理上与快速增殖的细菌有惊人的相似性。如,上调核糖体合成、增大细胞体积、采用糖酵解无氧呼吸进行能量供应并大量分泌乙醇或乳酸等代谢废物(“Warburg effect”)。

生长是细菌的核心特征。但是为什么不同种类的细菌有如此千差万别的最大生长速率?生长能力的差异是为了适应什么而存在?这两个问题是围绕细菌的重要生命奥秘之一,也是微生物学领域基础性、根本性的问题。目前人们对不同细菌生长能力差异的内在限制因素认识极少,我们急需新的研究思路作为突破口。

为了简化研究思路,该论文中采用结核分枝杆菌(M. tuberculosis简称Mtb作为模式研究生物。Mtb是结核病(人类最古老的一种疾病)的致病原。世界卫生组织最新数据显示,Mtb年新增感染病900例,造成300万人的死亡,在全世界范围内潜伏感染20亿人口。Mtb有一个匪夷所思的生长速率:最快为1天/代(大肠杆菌最快为20分钟一代)。考虑到蛋白质合成在细菌生长中的核心地位,在这篇理论研究论文中,戴雄风博士与朱曼璐博士从两个不证自明的有关蛋白质合成与核糖体合成的质量守恒方程出发,利用逻辑推理与数学演绎推导出了一个细菌生长法则的理论研究框架,包含了潜在的决定细菌生长的几个数学参数(如核糖体翻译延伸速率、参与合成rRNARNA聚合酶丰度等)。通过大量的搜集文献信息,初步证明了该定量理论框架的正确性,为未来的系统性研究指明了方向。

文章链接

http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/1040841X.2018.1425672