Обнаружена фундаментальная единица размера клетки у бактерий

Биологам давно известно, что бактерии растут быстрее и становятся крупнее при улучшении качества питательных веществ. Это принцип микробной физиологии, известный как «закон роста», описывающий связь между средним размером клетки бактерий и скоростью их роста.

Однако в законе роста есть серьёзный пробел: он не может объяснить, почему бактерии делятся, достигнув определённого критического размера, независимо от количества доступных питательных веществ.

Применив математические модели к большому количеству экспериментов, в которых рост бактерий ингибировался, команда физиков, биологов и биоинженеров из UC San Diego обнаружила причину этого. В процессе они разработали «общий закон роста», объясняющий происхождение этих особенностей бактериальной физиологии.

Исследователи подробно описали свои достижения в статье, опубликованной в текущем выпуске журнала Current Biology.

«Несколько лет назад мы начали проводить обширные эксперименты по ингибированию роста, чтобы проверить закон роста на модельном организме Escherichia coli», — сказал руководитель исследования Сакджун Джун. «Возможно, неудивительно, что исходный закон роста не смог объяснить изменения размера клетки при ингибировании роста. Размер клетки либо увеличивался, либо уменьшался в зависимости от метода ингибирования. Иногда размер клетки вообще не менялся, несмотря на значительное ингибирование роста».

Джун и его коллеги обнаружили, что когда клетки начинают реплицировать свой генетический материал при подготовке к делению, размер клетки остаётся удивительно постоянным, несмотря на множество генетических процессов и изменений в клетке, таких как синтез белка и ДНК, синтез клеточной стенки и изменение формы.

«Мы поняли, что этот инвариантный размер клетки представляет собой фундаментальную единицу клеточных ресурсов, необходимых для запуска роста и клеточного цикла, или, так сказать, «двигатель» автомобиля», — пояснил Джун. «Эта «единичная клетка» является фундаментальным строительным блоком размера клетки, а размер клетки — это сумма всех инвариантных единичных клеток для любого условия роста, что объясняет происхождение закона роста».

Джун отметил, что разработка методов высокопроизводительного отбора клеток и генетических методов, таких как «CRISPR interference», позволила его команде извлечь большое количество физиологических данных из 10 миллионов бактериальных клеток в их экспериментах по ингибированию роста.

«Это позволило получить детальную и надёжную статистику и привело к количественному моделированию, которое дало экспериментально проверяемые прогнозы, помогая нам понять данные на более глубоком уровне», — добавил он. «Это дополняет неожиданный принцип «сумматора», который мы открыли несколько лет назад».

Джун сравнил этот процесс с тем, как датский астроном Тихо Браге, собрав более точные данные о планетарных орбитах, смог убедить немецкого астронома Иоганна Кеплера четыре века назад, что планетарные орбиты, происхождение которых — гравитация, являются 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 по динамике 50 лет спустя», — сказал Джун. «Мы не знаем, следует ли биология по стопам истории физики, но примеры накапливаются, что некоторые разделы биологии становятся такой же количественной наукой, как и физика».