科學家在實驗室實驗中培養(yǎng)了微生物,他們進化出了一種新的感覺
一項新的研究表明,當細菌在實驗室中暴露于不同的極端環(huán)境時,會對酸水平產(chǎn)生更高的新敏感性。
這種感覺觸發(fā)了一連串不同的基因表達,使微生物能夠將自己重新配置到不斷變化的極端情況。
從最小的細胞到最大的鯨魚,所有生命都面臨著不斷變化的和循環(huán)環(huán)境條件.
為了更好地了解我們如何在生理上彎曲到這種極端,納什維爾范德堡大學的微生物學家 Sarah Worthan 和她的團隊推動了大腸桿菌細菌達到極致。
一些細菌種群能夠快速進化出幫助它們茁壯成長的基因突變。癌癥也利用生成的 mutation,為自己創(chuàng)造一個更有利的環(huán)境。
“我們的結果表明 [這些突變] 可能有助于通過 pH 感應快速協(xié)調復雜的生理反應,并闡明細胞群如何利用環(huán)境線索來協(xié)調對復雜、波動環(huán)境的快速反應,”研究人員寫在他們的論文里.
Worthan 及其同事通過暴露 16 個大腸桿菌在將它們轉移到營養(yǎng)豐富的新鮮環(huán)境中并重復該過程之前,會進行一陣又一輪的極端、長期的饑餓。
隨著微生物挨餓,代謝廢物積累,導致其環(huán)境 pH 值發(fā)生劇烈變化。然后,每 100 天用新的資源重新開始細菌,復制現(xiàn)實世界中生活經(jīng)常面臨的盛宴和饑荒循環(huán)。
單個蛋白質構建單元的變化在其中 7 個細菌種群中如雨后春筍般涌現(xiàn)并傳播,其中大部分僅在實驗的前 300 天內。這種氨基酸從精氨酸更改為組氨酸發(fā)生在 Rho 蛋白中——一種參與告訴細菌的蛋白質制造機制何時停止生產(chǎn)的分子。
“這種柔在我們的實驗室進化培養(yǎng)物中反復出現(xiàn),”解釋范德堡大學微生物學家梅根·貝林格。
“我們返回基因組數(shù)據(jù),注意到柔與名為 'ydcI.'對這個基因知之甚少,但最近的研究表明它可能在 pH 穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮作用。
正常的 Rho 蛋白有助于細菌細胞在盛宴狀態(tài)下表現(xiàn)得更好,但當其所有者面臨饑荒時,它是一個障礙。Worthan 和團隊發(fā)現(xiàn)突變ydcI使細胞能夠更好地耐受 Rho 蛋白的變化。
這ydcI突變似乎對 pH 值的變化有反應。因此,它充當一個開關,由環(huán)境的變化打開,以觸發(fā)單個單元格內的變化。
“盡管細菌通過其細胞外環(huán)境相互相互作用,但單個細胞對其細胞內環(huán)境有一定的控制權,”說布拉頓。
這些基因協(xié)同工作,使細胞更容易在生理上彎曲以適應不斷變化的環(huán)境條件。該團隊在自然界中發(fā)現(xiàn)了幾個相同機制的例子。
“我們在這種被忽視的病原體中發(fā)現(xiàn)了它,桿菌狀巴爾通體,這會導致南美洲安第斯山谷的腐肉病,”說貝林格。
“這種細菌已經(jīng)知道 pH 值因為它在通過沙蠅媒介傳播時,必須從高 pH 值的昆蟲腸道迅速調整到人類血液的中性 pH 值。
善于適應有助于細胞勝過其他細胞,正如我們所看到的癌癥.癌癥似乎也利用類似的機制來提高其內部 pH 值,產(chǎn)生不同基因表達的級聯(lián)反應,然后用于重塑周圍的細胞環(huán)境。
這些結果說明了“實驗進化在識別與自然環(huán)境相關的功能重要突變方面的力量”,Worthan 和團隊結束.
這項研究發(fā)表在美國國家科學院 (PNAS.
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