研究解释了细菌孢子形成的遗传电路

由赖斯大学生物工程研究人员领导的一个团队已经解释了一些细菌在非常艰难的时期用来做出生死决定的机制。解读细菌如何应对压力可以产生新的线索，用于对抗食物腐败和控制食源性病原体。这项新研究发表在“ 分子系统生物学”上，揭示了一个关于该领域基本问题之一的长期争论：是什么原因导致压力过大的细菌急剧停止正常功能并形成孢子?

“我们这个领域的人们早就想知道的是，像芽孢杆菌这样的孢子形成细菌怎么做出这个决定?” 该研究的共同作者，莱斯生物工程副教授，莱斯理论生物物理中心(CTBP)高级研究员Oleg Igoshin说。“是否存在一种特定的生物化学触发因素，可以激活一种网络蛋白质，还是孢子形成更多的一般生理反应?”

为了形成一种能够在没有食物的情况下存活多年的硬壳孢子，生物体必须将其能量注入孢子形成。太快成为孢子可能会导致死亡 - 来自邻居的竞争 - 不断增加 - 但是在孢子完成之前，延迟决定会导致饥饿死亡。

“这是一个高风险的决定，这表明决策机制是通过强烈的进化压力产生的，”Igoshin说。“有机体也可能采用同样的机制做出其他关键决定。”

枯草芽孢杆菌是一种常见的土壤细菌和着名的幸存者。它对人体无害，甚至在一些传统食品中用作益生菌。它是如此擅长形成孢子，它是研究孢子形成的生物学家的首选模式生物。

大约十年前，计算生物学家Igoshin开始研究枯草芽孢杆菌用于制定孢子形成决定的调控基因。他和他的实验室成员解释了实验合作者的工作，并开发了计算机模拟来破译监管网络的工作，例如枯草芽孢杆菌用来做出决定的开关，反馈回路和信号放大器。

2012年，Igoshin和研究生Jatin Narula展示了监管网络如何采用一系列嵌套的“前馈”环路来过滤信号噪声，并在2015年揭示了网络的计时机制，这是一种利用生物体的钟状DNA复制的电路周期。

在以2015年工作为基础的新研究中，Narula，Igoshin和合作者使用他们的计算机模型来展示一般的生理线索 - 细胞生长的减缓 - 如何能够引发枯草芽孢杆菌的孢子形成决定。Igoshin说，孢子形成网络对细胞以基本恒定的速率产生的关键蛋白质的浓度非常敏感。在饥饿期间，当细胞的生长速度减慢时，这种蛋白质的浓度增加，细菌更容易形成孢子。Rice的理论工作在加州大学圣地亚哥分校的共同作者GürolSüel的实验室进行了实验测试。

由Süel实验室的两名研究生Anna Kuchina和Fang Zhang进行的实验证实了主要的模型预测：只有那些减缓其生长超过阈值的细胞才会进行孢子形成。实验数据表明，孢子形成网络蛋白质的数量 - 而不是蛋白质的活性 - 受到细胞生长的调节，这一发现与孢子形成具有特定生物化学触发的理论相矛盾。

Igoshin说，这一发现对食品安全和一般微生物学具有重要意义。

“一些枯草芽孢杆菌近亲的孢子形成是食品保鲜行业的一大麻烦，因为许多孢子可以在沸腾的温度下存活，”Igoshin说。“为了杀死这些孢子，你需要同时施加热量和高压。所以人们一直在寻找抑制孢子形成的其他方法。如果特定分子引发孢子形成，那么可能会发现一种药物可以阻断这种分子，但是我们的研究表明，孢子形成是一种普遍的生理反应，食品安全工程师需要寻找其他控制方法。

“此外，这种机制很有可能控制其他细菌物种的关键决策，”他说。“它与非常基本的细菌生理学联系在一起，因此，我认为它可能具有普遍性。”