来自普林斯顿大学校园的一组研究人员进行了合作，以确定大肠杆菌在缺乏碳、氮和磷这三种关键营养素时的反应。
他们惊奇地发现，细菌对每种营养限制都有不同的应对策略。更令人惊讶的是，当碳含量有限时，大肠杆菌的反应是建立其蛋白质生产基础设施，本质上是为碳再次丰富的一天做准备。
“E。大肠杆菌具有这种基本的乐观态度——它预计未来将获得更多的碳，”埃德温·格兰特·康克林生物学教授泽梅尔·吉塔伊(Zemer Gitai)说。这七名作者都是来自普林斯顿大学六个系的科学家。
Gitai说，把细胞想象成一个玩具厂，充满了生产玩具(蛋白质)的单个装配线(核糖体)。碳和氮是玩具的关键成分，磷对装配线至关重要。
吉塔伊说:“当资源紧张时，这个小组必须做出决定。“材料的正确用途是什么——可用资源的正确用途是什么?”我要投入更多的资源来制造更多的装配线还是更多的玩具?”
“玩具”蛋白质是细胞生长、分裂或增加质量的基本构件。一个细胞产生蛋白质的速度越快，它就长得越快。几十年来，科学家们已经知道，核糖体(装配线)的数量与大肠杆菌中蛋白质(玩具)的产量之间存在着直接的线性关系。这导致了一个被广泛接受的理论，即每条装配线都是“优化的”，不断地以最高效率运行，以尽可能快地生产蛋白质。
“令人惊讶的是，目前的研究从根本上改变了这个观点，”霍华德a .生命科学的前任教授、分子生物学教授、刘易斯-西格勒综合基因组学研究所(Lewis-Sigler Institute for Integrative Genomics, LSI)的内德·温格林(Ned Wingreen)说。
研究小组发现，当他们限制玩具中关键成分碳和氮的使用时，细胞缓慢而稳定地生长，同时产生越来越多闲置的装配线。
“在极端的碳限制下，大约一半的核糖体——一半的装配线——甚至不能工作，”Gitai说。这似乎违反直觉，对吧?这似乎浪费的。为什么要建立工厂，使装配线的数量达到所需数量的两倍，而不运行一半的装配线呢?我们假设，当时代发生变化时，这可能有利于提高产量，果然，我们看到了这一点。”
这些细菌生活在像人类肠道这样的非饥即食的环境中，在那里，一段长时间的饥饿可以随着芝士汉堡的突然到来而结束。吉塔伊说:“当所有这些新的营养物质进来时，你就有能力生产得更快。”他说:“你们已经制造了所有这些装配线，它们已经准备好了，现在它们可以起飞了，你们可以先发制人，因为你们不必投资于所有这些基础设施，制造所有这些新的装配线。你已经安排好了。”
这对于大肠杆菌的竞争策略有着有趣的启示，论文的第一作者，研究生李欣(Sophia)说。“也许细菌的目标不是最大化当前的生长，”她说。“他们可能在为更好的时代做准备——更具前瞻性。”
温格林说:“总的来说，这项研究为细菌和其他潜在的有机体提供了一个新的视角，表明它们的进化不仅是为了适应当前的环境，也是为了适应不断变化的世界中的生命。”
“这是一段激动人心的旅程，”2016年化学和生物工程博士毕业生、现任加州大学洛杉矶分校(University of California-Los Angeles)化学和生物分子工程学教授的朴俊扬(Junyoung Park)说。“我们从一个简单的观察开始——特定于营养物质的rna与蛋白质的比例——但最终对细胞的竞争策略有了引人入胜的见解。”
研究人员发现，当不同的营养物质受到限制时，大肠杆菌会使用不同的策略。“限碳电池会产生大量不活跃的装配线，”李说。“限氮细胞生产产品的速度更慢。但限制磷含量的细胞——这是令人兴奋的部分——只用了一半的装配线来生产同样数量的玩具。”
核糖体装配线依赖于富含磷的RNA，因此通过限制RNA的可用性，研究人员基本上使玩具成分变得便宜，但装配线非常昂贵。
Gitai说:“第一个令人惊讶的是，这里有一个特定于营养的故事，我们用三种不同的方式实现了相同的增长率。”但真正令人惊讶的是磷。我们发现，如果我们让装配线变得更贵，突然间，同样的装配线可以以同样的速度生产玩具，使用的装配线只有原来的一半。这告诉我们，在限制碳和氮的条件下，这些装配线实际上并没有尽可能快地工作。”
这推翻了长久以来的模型优化的核糖体和促使研究人员调查的机制作用于核糖体,使用定量的组合实验,由李受到Wingreen的建模和理论工作和志远李助理研究学者在普林斯顿理论科学中心。他们还与2017年物理专业毕业的克里斯托弗·金(Christopher King)以及化学和大规模集成电路教授约书亚·拉比诺维茨(Joshua Rabinowitz)合作。
李志远说，将大量的生物数据转换成清晰的理论，说明了数据科学的“魅力”，从把测量数据处理成“单独的珍珠，然后通过数学模型把它们串成一条美丽的项链，揭示了潜在的联系。”
“这篇论文对社区做出了巨大的贡献，”威兹曼科学研究所(Weizmann Institute of Science)植物与环境科学系首席研究员罗恩·米洛(Ron Milo)说，他没有参与这项研究。“它让我们更好地了解细胞如何在资源分配方面做出决策，这可能与生物技术生产增值化学品有关。”
Gitai说，这项研究也提出了一个新的问题:“许多细菌物种使用这种策略吗?你可以想象在一个细菌群落中，有些物种是乐观主义者，有些是悲观主义者。大肠杆菌的这种“永恒的乐观主义”是一种吸引人的想法，如果你愿意，它可以在短期利益和长期利益之间进行权衡。当情况不好的时候，它会说，‘好吧，我现在不会担心我能做得多好，但我会为情况好转做好准备。’”
李苏菲亚说，这项研究最大的惊喜之一是，如此被彻底研究过的细菌，在它的微观袖口上仍然有诡计。“甚至大肠杆菌，可以说是最广为人知的生物，仍然可以给我们带来新的惊喜和有趣的生物学知识。”
“E。大肠杆菌的翻译策略因碳、氮和磷的限制条件而异。”这项研究得到了美国国立卫生研究院的两项资助(DP1AI124669和R01GM082938)。