相邻细胞能决定哪个细胞先死

 新闻资讯     |      2020-11-15 14:35

  图1:研究人员正利用显微镜观察细菌样本

  细菌并不只是在饥饿阶段才偶然死亡,周围的细胞对其生死也有发言权。

  德国慕尼黑工业大学(TUM)的研究小组发现,决定细胞生死有两个最重要的因素:1)维持生命所需的能量;2)存活细胞从死亡细胞中回收生物质的效率。

  细胞的存活和生长是生物系统的核心因素。因此,慕尼黑工业大学复杂生物系统物理学教授乌尔里希·格兰德(Ulrich Gerland)等科学家,正试图理解分子成分如何相互作用,以维持一组细胞在应激状态下的生存能力。

  由格兰德领导的研究小组现在已经成功地确定了细菌存活的两个关键因素:细胞的基本能量消耗和存活细胞在每个相邻的死亡细胞中所能获得的能量数量,以此来衡量生物量的回收效率。

  来自邻近细胞尸体的营养物质

  研究人员模拟了大肠杆菌细胞中缺乏糖和其他碳水化合物的紧急情况。在这种情况下,细菌既没有糖分充当能量,也没有可用的含碳水化合物充当食物。

  当首批细胞死亡时,存活的细胞试图从周围的细胞尸体中获得营养。某种酶的能量周转率越高,死亡率就越高。周围细胞从死亡细胞中回收的能量越多,存活率就越高。

  图2:乌尔里希·格兰德教授与其合著者埃琳娜·比塞利在他们的实验室里

  格兰德说:“我们的发现使定量确定单个分子成分对细菌细胞存活的贡献成为可能,这还是第一次。”

  作为集体现象的生存能力衰退

  总的来说,存活细胞随时间推移呈指数下降。原则上,这种发展可以用单个细胞的随机死亡来解释,就像放射性衰变也会呈现指数变化那样。

  但当研究人员改变实验条件时发现,这种相互关系更为复杂。菌落的衰退是一种集体现象。因此,周围的细菌细胞共同决定了它们中间的细胞是死亡还是存活。

  图3:这张照片显示了其中一种细菌培养物

  细胞死亡率的变化可由大量影响细菌生存的遗传或生态扰动引起。因此,每种细菌和每种环境条件产生的平衡会截然不同。

  为了了解这一动态,研究人员对整个细菌存活系统进行了数学建模。然后,他们利用这种关系来确定对细胞存活的分子贡献。

  根据细胞类型,可以确定细胞存活的重要分子因素,这有助于发现决定存活率的酶或其他蛋白质。格兰德称:“我们的目标是系统地、定量地了解细菌是如何在如此多的环境条件下生存的,这是对生存生理学的探索。”