带起动枪的蛋白质

休眠细菌是否开始繁殖并非偶然。相反，他们只是在等待来自细胞内部的单个蛋白质的清晰信号。ETH的研究人员现在已经破译了这背后的分子机制。

细菌能够极快地生长，但只有在条件合适的情况下才能生长。如果它们缺乏营养，或者太冷或太干，它们将进入休眠状态等待它。到目前为止，通常使用快乐生长的种群来研究个体细菌细胞如何决定是否分裂的问题。但是到目前为止，没有人能够说明是什么促使休眠细菌醒来并开始分裂。

现在苏黎世联邦理工学院分子系统生物学研究所所长Uwe Sauer和他的研究团队已经解开了这个谜团。他们研究肠道细菌大肠杆菌，以了解细胞决定首次分裂的原因。令人惊讶的是，答案在于细菌细胞内部的单个蛋白质：只有当该蛋白质的浓度升高到某个阈值以上时，细胞才会分裂。根据他们的发现，研究人员开发了一个数学模型。“现在，这种模型第一次对细胞分裂何时开始进行定量预测，”绍尔说。他们的研究最近发表在Molecular Systems Biology期刊上。

新陈代谢迅速激活

为了理解这种机制，研究人员首先通过使营养物质挨饿使大肠杆菌细菌蛰伏。接下来，他们用细小的葡萄糖溶液给细胞喂食，细菌在吞噬时不失时机：在几秒钟内，它们的新陈代谢开始起作用。为了证明这一点，研究人员使用了Sauer实验室开发的一种方法，该方法可以同时实时测量数百种代谢产物。

他们的分析表明，将细菌转化为新生物质所需的细菌花费的时间非常短，其中包括随后构成蛋白质和DNA的氨基酸和核酸 - 这是形成新细胞的先决条件。

喂食频率是关键

只要存在足够的新生物量，已经处于生长期的细菌将继续分裂。但这是一个与休眠细胞不同的故事：每十分钟给它们一次营养葡萄糖滴，导致它们随着时间的推移产生越来越多的生物量，但它们仍然没有分裂。只有当研究人员缩短时间间隔并每隔4分钟喂食细胞时，才会发生细胞分裂，尽管在1小时后。将喂食速度加快到每分钟一次就会产生细胞分裂几乎立即开始的效果。“这不是决定性的糖总量，而是喂食频率，”绍尔说。

这导致研究人员怀疑细胞将葡萄糖转化为关键蛋白质，但这种蛋白质在饲料之间的时间内被分解。只有当葡萄糖以足够频繁的间隔提供时，产生的蛋白质才会比分解更多，从而使细胞分裂。为了验证他们的假设，研究人员对科学文献中的蛋白质进行了梳理，这些蛋白质在细胞分裂中发挥作用，并被细胞自身的蛋白酶分解。这就是他们如何追踪蛋白质FtsZ，它在分裂过程中形成一个环，帮助细胞分裂成两个子细胞。

细胞分裂蛋白FtsZ作为信号

与苏黎世联邦理工学院环境工程研究所的Roman Stocker教授和加利福尼亚大学圣地亚哥分校的Suckjoon Jun教授一起，研究人员证明FtsZ在大肠杆菌细胞中确实存在分解，并且其浓度在饥饿时期。事实证明，这确实是研究人员正在寻找的关键蛋白质，因为人为加速FtsZ的分解延迟了细胞分裂的开始。相比之下，当研究人员使用遗传方法使细胞产生更多的FtsZ时，那些细胞开始更快地分裂。“这就是我们如何证明FtsZ的浓度是细胞开始分裂的决定性信号，”Sauer说。

在他看来，这些新发现不仅有助于进一步的基础研究，它们也可能形成特定应用的基础：FtsZ不仅存在于大肠杆菌中，而且存在于几乎所有细菌种类中，包括病原体如结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis)。“如果我们想要防止休眠细菌开始分裂，那么FtsZ是一个很好的攻击点，”绍尔说。几年来，一些实验室一直在研究加速FtsZ分解的物质，这使它们成为新抗生素的有希望的候选者。