细菌可以使用蛋白质分子的信号传导网络控制它们的去向

细菌可以使用蛋白质分子的信号传导网络控制它们的去向。AMOLF的科学家开发了一种显微镜方法，可以让他们了解个体细菌如何利用这个网络做出决策。他们发现细菌的个性和情绪多种多样。该团队于2017年12月12日在科学期刊eLife上发表了研究结果。

细菌是单细胞生物，没有神经系统，但能够使用以特殊方式相互作用的蛋白质分子网络控制它们的运动，就像我们大脑中的神经细胞回路一样。“例如大肠杆菌，一种生活在我们肠道中的无害细菌，'知道'如何通过偶尔的翻滚来中断其直接的游泳动作，从而在一个新的，随机的方向上将它打开，”AMOLF的组长Tom Shimizu说。系统生物学组。“大肠杆菌利用传感器蛋白来检测食物分子或有毒化学物质等物质，以确定生命在游泳时是变质还是变差，并控制它翻滚的频率以确保它最终处于一个好的地方。”

放大单细胞

多年来，研究人员一直在研究细菌如大肠杆菌中的这些分子回路如何响应周围环境的变化，但这依赖于信号必须在数百个细胞上取平均值的实验。清水集团的博士生Johannes Keegstra领导了开发显微镜方法的工作，该方法使研究人员能够了解每种细菌中的蛋白质网络如何响应环境的变化，例如丰富的食物。

个性

实验中使用的细菌具有完全相同的DNA序列(如同卵双胞胎)，并且也在相同的条件下生长。然而，研究人员发现，每种蛋白质网络在相同的化学环境中表现不同。“每种细菌似乎都有自己的个性，”Keegstra说。“例如，我们发现细菌响应的化学浓度在细菌之间差异很大。”

心情

除了细菌(个性)之间反应的明显差异外，Shimizu和Keegstra还发现，在每种细菌中，分子活性可能会随着时间的推移而发生显着变化。他们目睹了细菌中蛋白质分子相互作用以控制运动的方式不稳定，但随着时间的推移不断变化，即使在“安静”的环境中，食物或毒素的数量也没有变化。细胞的这种“情绪化”意味着他们“决定”翻滚或直接游泳的机制不会得到稳定的输入，而是随机变化的输入。

研究人员认为，这些不同的分子信息必须由细胞内的偶然事件引起。“我们认为，我们发现的细菌个体不是由于自然界(DNA序列)或培育(环境特征)，而是由细菌单细胞内的分子碰撞等随机事件引起的，这是物理学家所称的经典例子。噪音'，“Shimizu说。“重要的是，细菌在实验过程中没有产生任何新的蛋白质。这意味着虽然人格差异可能是由于细菌之间蛋白质水平的差异造成的，但情绪波动必然是这些蛋白质在每种蛋白质相互作用中产生噪音的结果。细菌。“

随机搜索食物

“我们对他们的情绪波动有多么激烈感到惊讶，”Keegstra补充道。“而且因为我们知道细菌可以阻止这些信使分子如此随机地相互作用，我们认为它们可能是出于某种目的而这样做的。”

当食物稀缺时，不稳定的运动控制可能是有利的。在这种情况下，游戏不再是对感官线索(如气味)的响应，而是关于有效探索空间以寻找稀有资源的更多信息。气质细菌在探索大型无特征区域方面会做得更好，因为它们的情绪有助于避免回到同一个地方。

Keegstra：“细菌的喜怒无常的差异可能意味着一些细菌充当侦察员，探索远方地区偶尔但大幅增加，而其他细菌仍在附近并有效地利用当地资源。这样的分工可能对人口整体。“

生物化学网络中对噪声的新见解创造了生物技术机会，帮助工程师构建系统(例如，产生胰岛素的细菌)，这些系统要么对噪声更加稳健，要么最佳地利用它。关于细菌行为中更稳定的差异(个性)的研究结果也可以影响针对病原菌的医疗策略，而不会伤害有益细菌。

AMOLF的研究与eLife共同发表了第二篇论文，“细菌化学感受网络中缓慢活动波动的多种来源”，由马克斯 - 普朗克微生物学研究所的R. Colin和V. Sourjik撰写。