Frontiers i Mikrobiologi

Antikkens Historie

uten tvil, vitenskapen om mikrobiell fysiologi begynte da Leeuwenhoek første ble fascinert av synet av Vorticella slo sin cilia. Jeg foreslår at som de fleste observasjoner av mikrober, fra de enkleste til de mest sofistikerte, denne har en fysiologisk komponent., Med bruk av moderne mikrobiologi i midten av det 19. århundre, dette nye feltet av henvendelsen ble tydelig og gjenkjennelig med funn av prosesser som anaerobiosis og sporulation, sammen med anerkjennelse av gjæring som en mikrobiologisk fenomen. Like etterpå kom det studier av Winogradsky og hans etterfølgere på den kjemiske endringer i miljøet som følge av mikrobiell aktivitet. Senere likevel, i løpet av første halvdel av det 20. århundre, mikrobiell fysiologi var en stor bidragsyter til biokjemi og spilte en sentral rolle i utviklingen av sentrale metabolismen.,

forståelsen av fysiologi av bakteriell vekst, men sakket akterut. Selv tidlig på 1950-tallet, en student av mikrobiologi, som meg selv, som ønsket å forstå hva som skjer når bakterier vokse, var det vanskelig satt til å finne nyttig veiskilt. I lærebøkene i dag, var det fokus på vekst kurve, med sin depressingly uforståeleg sekvens av faser og implikasjonen at de representerte stadier av en obligatorisk livssyklus. Likevel, selv fra de tidligste dagene av mikrobiologi, det var beacons av klare å tenke på motivet., En av Pasteur ‘ s første studentene, Raulin (1869), som er gjennomført kvantitative veksten eksperimenter med mugg Aspergillus niger det avdekket overraskende, dens evne til å vokse på en enkel sukker og et par mineral salter. Raulin er minimal medium er ikke veldig forskjellig fra de som brukes i dag. Pasteur selv mente nesten besatt at morfologi og aktiviteter av mikrober er betinget av sine omgivelser.

I tid, en omfattende litteratur på vekstforsøk samlet, noen fantasifulle, andre presis i hensikt og nøyaktig i utførelsen., Kjent for sin klarhet i tanken er Henrici klassiske Henrici, (1928) rapport om hvordan bakterier endring i størrelse gjennom hele deres vekst syklus. Til tross for slike eksempler på gløgg innsikt, en tåke fortsatte å innhylle vekst fysiologi, drevet av sære forestillinger. For eksempel, noen mente at utbyttet av bakteriekulturer var begrenset av en enhet som kalles «biologiske plass.»Andre så vekstkurve som ubønnhørlig S-formet, og dermed bestemt av den logistiske ligningen først publisert av Pierre Verhulst (1845). (Jeg har kjøre inn folk som tror dette denne dagen.,) Gjennom hele denne perioden, hellighet vekstkurve seiret. I 1949 gjennomgang på vekst, selv Van Niel (1949) uttalte: «Nesten alle at det er kjent om kinetikk for vekst av mikroorganismer som har blitt lært fra studier av såkalte vekstkurver.»

Nyere Historie

tåken begynte å løfte med arbeider av blant andre to personer som senere gikk over til å bli fedre, molekylær biologi, Alfred Hershey i slutten av 1930-tallet og Jacques Monod i 1940-årene (figur 1, 2)., Hershey (Hershey, 1939) (samarbeid med sin leder, Jacques Bronfenbrenner) countenanced bruk av en kultur i loggen fase av vekst som inokulat for å starte en ny kultur, og dermed avskaffe ukrenkelige hellighet vekstkurve. Monod (1942) var veksten responsen over hele kulturer å enzymkinetikk og viste at veksten var avhengige, i Michaelis–Menten mote, på underlaget konsentrasjon, mens avkastningen var proporsjonal med mengden av substrat tilgjengelig., Disse eksperimentene ble utført med kulturer som vokser i en steady state, et viktig punkt som jeg vil komme tilbake til om kort tid. Monod, sannsynligvis misfornøyd med den rådende oppfatning av feltet som å være overfladisk, så snart andre steder i sin søken etter molekylære mekanismer. Det er verdt å merke seg at hans studier på regulering av genuttrykk stammer fra hans vekst fysiologiske arbeid på «diauxic vekst», et fenomen der å ha glukose i middels hindrer vekst på andre sukkerarter., Han etterlot seg et helhetlig ennå avvisende avskjed shot (Monod, 1949): «studiet av vekst av bakteriekulturer, utgjør ikke et spesialisert emne eller gren av forskning: det er den grunnleggende metoden for mikrobiologi.»Som en disiplin, fysiologi av bakteriell vekst kom nær passerer fra forvirring til glemsel i et enkelt sprang.

Som noen ganger er tilfelle, etterfølgende arbeidet ble tilrettelagt av en klar definisjon. I Campbell (1957) foreslo at steady state vekst tilstand bli referert til som «balansert vekst.»I så å gjøre, han forhøyet hva som tidligere var bare en fase i vekstkurve (log fase) til et generelt begrep. I en viss forstand, flytte fra observasjon av logg fase til begrepet balansert vekst er som å gå fra å se på epler faller til å tenke på tyngdekraften., Cellene i balansert vekst oppnå maksimal vekst er mulig for det aktuelle medium. Man kan fantasere en bakterie som er mest verdsatte ambisjon er å vokse så fort som mulig, og dermed overgår mindre produktive konkurrenter. Men balansert vekst har en annen viktig og unik egenskap: det er kun lett reproduserbare vekst tilstand. Vurdere hvordan variabel over tid er alle de andre statene i utviklingen av en kultur er. Eksempel nå og prøve et par minutter senere, og du finner ut at cellene allerede har forskjellige egenskaper., Akk, selv nå dette enkle poenget er ikke alltid tas i betraktning når du definerer forskning protokoller. Se en begrunnet excoriation rettet mot utøvere av slurvete dyrking av Neidhardt (2006). En ukjent mengde arbeid som er utført med kulturer på udefinert stadier av vekst er ikke reproduserbar, dermed er det bortkastet.

betydningen av vekst i en steady state hadde blitt realisert tidligere, men Campbell ‘ s roman og presise begrepet bidratt fjerne den aura av immutability fra vekstkurve., Det er gitt frihet til å manipulere kulturer, for eksempel, flere ganger fortynning av dem, slik som å opprettholde dem i balansert vekst. En av de mest interessante av disse manipulasjoner tidlig på 1950-tallet var utviklingen av kontinuerlige kulturer i chemostats (Monod, 1949; Novick og Szilárd, 1950).

Komme midten av 1950-tallet, vekst fysiologi ble utvidet til en av de største bekymringene i dag: forholdet av nukleinsyrer til protein syntese. Her denne fortellingen endres til en ganske selektiv, personlige konto. Det var i 1956 at jeg sluttet seg til lab av Ole Maaløe i København (Figur 3)., Til slutt er det mye arbeid på vekst fysiologi, var å komme fra hans laboratorium og folk som hadde vært der ble omtalt som «København-Skolen» (Maaløe og Kjeldgaard, 1966; Cooper, 2008). De tidligste funn, som senere arbeid lettelse opp, var at celler av en art som vokser på ulike priser (i balansert vekst, selvfølgelig!) ulik i størrelse, avhengig av vekst, med raskere de stadig blir større. Følgelig, celler vokser i to forskjellige media, men på samme vekst som har samme celle størrelse., København-lab var ikke alene i slike studier (Schaechter et al., 1958). Omfattende eksperimenter knyttet RNA innhold til vekst ble også rapportert av Neidhardt og Magasanik (1960), Neidhardt (1963) og Herbert (1961). Dermed er en betydelig vinduet ble åpnet molekylære mekanismer og Monod ble påvist feil til en viss grad.

jeg bør nevne at dette arbeidet ble gjort mulig, så mye som alt annet, med den grundighet som Maaløe brakt til eksperimentelle målinger., I sin lab, levedyktig tellinger ble gjennomført så nøyaktig at den eksperimentelle feil var gjennomgående mindre enn random sampling error (og det var før nøyaktig pipettering gadgets). Eller, for å bestemme veksten av en kultur, optisk tetthet (masse) målinger ble gjort minst 10 ganger i løpet av hver dobling av kulturen. Men dypere punktet var en streve for en kvantitativ tilnærming for å studere vekst.

Hvorfor skulle bakteriell celler av samme art variere i størrelse?, Bakterier ved tørr vekt består i hovedsak av proteiner, så kan raskt voksende celler være større fordi de inneholder mer protein-syntetisere ribosomes? Når vi målte innholdet av ribosomes i celler som vokser på ulike priser, fant vi til vår glede, at det også var en enkel forhold her: jo raskere vekst, mer ribosomes per celle masse (Ecker og Schaechter, 1963). Med andre ord, konsentrasjonen av ribosomes viste seg å være en lineær funksjon av veksten. Som om å teste regelen, dette forholdet brytes ned ved svært lave priser., Dette gir mening fordi ellers celler vokser uendelig sakte ville ha noen ribosomes og ville ikke være i stand til å lage proteiner når den plasseres i et rikt medium. Til slutt, konsentrasjonen av mange andre cellulære komponenter som en funksjon av veksten ble kjent i noen detalj (Bremer og Dennis, 1996). På grunn av en slik avhengighet, bakterier adlyde leveregel av den spanske filosofen José Ortega y Gasset at jeg er glad for å sitere: «jeg er jeg og min omstendighet» (Yo soy yo y mi circunstancia).

Disse studiene tilbyr med bakteriell bestander. Hva med enkeltceller?, Deres levetid er beskrevet av sin celle syklus og er atskilt fra vekstkurve. Det avhenger i stedet på hva som skjer mellom en avdeling og den neste. Hvilke hendelser finne sted i løpet av celle syklus? Det ble observert tidlig på ved hjelp av relativt enkle mikroskopi og bekreftet senere av mer sofistikerte verktøy for at økningen i masse i voksende bakterier er eksponentiell. Med andre ord, en vekst på grunn av en autocatalytic utvidelse av de fleste cellekomponenter., Bestanddeler som ribosomes og proteiner er vanligvis til stede i et stort antall eksemplarer, og de må derfor ikke alle starte sine syntese på en gang. En ribosomet kan gjøres nå, annet en et øyeblikk senere, og likevel er deres befolkningen, det samlede utvide eksponentielt. Men situasjonen er forskjellig for elementer som er til stede i en eller et lite antall kopier, til vidd, den kromosom og cellen seg selv. Blir enhetlig hendelser, begge disse prosessene har for å bli regulert i ganske nøyaktig, for at befolkningen i cellene blir errantly heterogene., Men i 1950-og tidlig 1960-tallet, var det noen verktøy som brukes til å studere tidspunktet for DNA replikasjon i enkeltceller. Divisjon synkronisering av en kultur som ikke lett kunne oppnås uten å forstyrre normal vekst, for eksempel, ved å utsette kulturen til temperatur skift.

Den tidligste modell for regulering av kromosom syklus ble foreslått av Helmstetter et al. (1968), Cooper og Helmstetter (1968) basert på en uttrykkelig ikke-invaderende metode for å synkronisere bakteriell celler. De gjorde bruk av «baby maskin,» en enhet til diskret samle «nyfødt» celler., Det ble kjent at Escherichia coli-kromosomet består av en enkelt DNA-molekylet, og at replikering starter på ett sted, opprinnelse, og ender på en annen, endestasjonen. H&C modell foreslått at intervallet mellom oppstart og avslutning er nesten konstant ved en gitt temperatur, uavhengig av vekst og rikdom av medium. Regulering, derfor, er i hovedsak opptatt med initiering, og dette ble fokus for slike studier. Men i raskt voksende celler, den tiden som kreves for kromosom replikering kan være lengre enn celle syklus., Dette har ført til forslag om at initiation trenger ikke å vente for oppsigelse, men kan finne sted før den forrige replikering er ferdig, dermed fører til flere samtidige replikering hendelser på et kromosom—den såkalte «multifork replication» (Yoshikawa og Sueoka, 1963).

Disse måter å tenke førte til påfølgende undersøkelser i de mekanismer som styrer bakteriell genuttrykk og kromosom replikering. Hvordan er syntese av ribosom RNAs og proteiner regulert? Hva kan dette ha å gjøre med kontroll av genuttrykk? Hvordan er kromosom replikering regulert?, Og så videre. Jeg har deltatt i dette arbeidet og få mye glede av sofistikert forståelse av de mekanismer som har blitt avslørt. Men, jeg fortsatt stå i ærefrykt av det sentrale marvel—muligheten av en slik tilsynelatende enkel celler til å vokse i slike perfekt rytme. For en klar manifest for denne outlook, se kommentarer av Neidhardt (1999).

Studier av mekanismene som regulerer vekst var i stor grad ved hjelp av genetiske analyser. Et stort antall av betinget mutanter, spesielt av E. coli, ble bygget, for eksempel, noen varme sensitive (se Hirota et al.,, 1968), noen kalde sensitive (se Ingraham, 1969). Å studere deres fenotypen på den restriktive temperaturer åpenbart mye om de biokjemiske grunnlag for vekst og ble et viktig supplement til de rent fysiologiske eksperimenter.

Dag

Selv om København-Skolen, understreket en kvantitativ tilnærming, tidlig på minst, den mekanistiske forståelsen av vekst fenomener var unektelig begrenset. Francis Crick funnet ut at appallingly fort. Da jeg besøkte ham ved Cavendish-Laboratoriet i Cambridge University i 1958, han buste ut: «Gratulerer!, Du har folk startet et nytt felt, men det er over!»Jafs! I en snever forstand, dette var sant for tiden, men selv da kunne jeg ha fryktsomt hevdet at de fysiologiske fokus på den voksende celle hadde bidratt til en nødvendig kontrast til molekylær reduksjonisme. Men det tok tid. For rundt 50 år, til rundt begynnelsen av det 20. århundre, vekst fysiologi vært mer eller mindre i en latent tilstand.

Nylig, mikrobiell vekst fysiologi har sett en gjenfødelse i en form som søker en dypere kvantitativ forståelse av fenomener på en hel celle-nivå., Dette er eksemplifisert ved fremveksten av systemer biologi: en tilnærming som er gjort mulig av teknologier som kan samle og analysere enorme mengder informasjon for å avsløre hvordan intracellulære transaksjoner henger sammen. Faktisk, jeg har hørt det sagt at systemer biologi er bare en altomfattende utsikt over cellen fysiologi, eller, hvis du ønsker det, som en videreføring av flykte fra biokjemiske reduksjonisme. Som har blitt oppfylt gjennom historien, forskning på mikrobiell fysiologi fortsetter å være styrt av utvikling av nye metoder for eksperimentelle og matematisk analyse., Et par eksempler (av mange) kan sees i den spennende papirer ved Edwards et al. (2001), Wang et al. (2010), Valgepea et al. (2013), Klumpp og Hwa (2014), og Scott et al. (2014).

Hvordan er bakteriell vekst fysiologi av gamle koblet til systemer biologi i dag? Både historisk og begrepsmessig gjengene er godt synlig (Schaechter, 2006). Gamle spørsmål, for eksempel hvor mange macromolecular komponentene i en celle, hvor raskt er de gjorde, og hvordan deres vekselsvirkningene resultatet i celle vekst, kan nå studeres med moderne verktøy., Likevel, de nyere metoder fortsatt har en direkte forbindelse med de eldre. Et eksempel er proteomic måling av økende versus stresset E. coli, først gjort i stor skala i Neidhardt s lab (2011). Den innledende drivkraft for dette arbeidet var å finne ut antall av proteiner og laget på ulike vekstrater av kultur, som snart var regissert for å se på virkninger av fysiologisk stress., Men denne tilnærmingen ble raskt erstattet når disse forskerne innså at slike studier hadde blitt fokusert i stor grad på hva de etterforsker trodde interessant, nyttig, eller potensielt viktig å cellen. Snart så de at den nye metoder for kartlegging av den globale produksjonen av proteiner, spesielt to-dimensjonal gelelektroforese, aktivert undersøkeren å sette ballen i mikrobe s court og oppdage hva cellen er ansett som viktig., Mange slike studier av proteiner og laget på forskjellige vekstrate og temperatur, samt når under ulike påkjenninger, førte til en nyansert forståelse av cellen som et dynamisk system, med et utvidet universet av regler og forhold som regulerer sin fysiologi og metabolisme.

En stor verdi av systemer biologi ligger i dens evne til å skape prediktive modeller, noe som har blitt oppnådd i stor grad med gjær og blir realisert med bakterier. Vi begynner å få et flerdimensjonalt syn på komplekse nettverk av interaksjoner som fører til vekst av en celle., Som alltid, det eksperimentelle grunnlaget for dette arbeidet må være økende cellene under reproduserbare og lett assayable forhold, med andre ord, ved hjelp av kulturer i balansert vekst som den opprinnelige tilstanden. Dette er bare en av de konseptene som systemer biologi arver fra vekst fysiologi.

Enfin, aficionados av en balansert vekst, slik som meg selv, er ofte minnet om at denne tilstanden er uvanlig i naturen. Dette er ikke feil av cellene., De fleste planktoniske celler og muligens mange sessile de vokser så fort som forholdene tillater det (selv om de rike cyanobacteria i havet svarer til ikke-ernæringsmessige motivasjon, slik som deres diel klokke). Mikrobiell miljøer er svært variable, og vanligvis tillater bare korte spurter av uhindret vekst som følge av tilførsel av matvarer. Balansert vekst over langvarige perioder er funnet hovedsakelig i laboratoriet. Men eksperimentator som gir vilkår som tillater balansert vekst er ikke gjorde noe mer enn å la cellene satt ut i livet deres grunnleggende lengsel etter å vokse., Cellene tar seg av alt annet.

interessekonflikt Uttalelse

forfatteren erklærer at forskningen ble gjennomført i fravær av kommersielle eller finansielle forhold som kan oppfattes som en potensiell interessekonflikt.

Erkjennelsene

jeg takke erkjenner hjelp av Doug Berg, John Ingraham, Fred Neidhardt, Irwin Rubenstein, og Christoph Weigel i å skrive denne artikkelen.