gränser i mikrobiologi

Figur 1. Alfred Hershey (1908-1997). Källa http://scarc.library.oregonstate.edu/coll/pauling/dna/people/hershey.html.

Figur 2., Jacques Monod (1910-1976). Källa: http://todayinsci.com/2/2_09.htm#MonodJacques.

jag bör nämna att detta arbete möjliggjordes så mycket som helst av den rigor som Maaløe tog till experimentella mätningar., I sitt labb utfördes livskraftiga räkningar så exakt att det experimentella felet var konsekvent mindre än slumpmässigt provtagningsfel (och det var före exakta pipetteringsprylar). Eller för att bestämma tillväxttakten för en kultur gjordes optiska densitetsmätningar (massa) minst 10 gånger under varje fördubbling av kulturen. Men den djupare punkten var en strävan efter ett kvantitativt tillvägagångssätt för att studera tillväxt.

varför skulle bakterieceller av samma art skilja sig åt i storlek?, Bakterier med torr vikt består huvudsakligen av proteiner, så kan snabbt växande celler vara större eftersom de innehåller mer proteinsyntetiserande ribosomer? När vi mätte innehållet av ribosomer i celler som växer i olika takt fann vi, till vår glädje, att det också fanns ett enkelt förhållande här: Ju snabbare tillväxttakten desto mer ribosomer per cellmassa (Ecker och Schaechter, 1963). Med andra ord visade sig koncentrationen av ribosomer vara en linjär funktion av tillväxttakten. Som om att testa regeln bryts detta förhållande ner i mycket långsamma takt., Detta är vettigt eftersom annars celler växer oändligt långsamt skulle ha några ribosomer och skulle inte kunna göra proteiner när de placeras i ett rikare medium. Så småningom blev koncentrationen av många andra cellulära komponenter som en funktion av tillväxttakten känd i viss detalj (Bremer och Dennis, 1996). På grund av ett sådant beroende lyder bakterierna maxim av den spanska filosofen José Ortega y Gasset som jag är förtjust i att citera:” jag är jag och min omständighet ” (Yo soy yo y mi circunstancia).

dessa studier behandlar bakteriepopulationer. Vad sägs om enstaka celler?, Deras livslängd beskrivs av deras cellcykel och skiljer sig från tillväxtkurvan. Det beror i stället på vad som händer mellan en division och nästa. Vilka händelser inträffar under cellcykeln? Det observerades tidigt på att använda ganska enkel mikroskopi och bekräftades mer nyligen av mer sofistikerade verktyg att ökningen av massan i växande bakterier är exponentiell. Med andra ord beror tillväxten på en autocatalytisk expansion av de flesta cellkomponenter., Beståndsdelar som ribosomer och proteiner är vanligtvis närvarande i ett stort antal kopior; därför behöver de inte alla initiera sin syntes på en gång. En ribosom kan göras nu, en annan ett ögonblick senare, och ändå kommer deras befolkning, i aggregatet att expandera exponentiellt. Men situationen skiljer sig åt för element som är närvarande i ett eller ett litet antal kopior, till vitt, kromosomen och själva cellen. Att vara enhetliga händelser, båda dessa processer måste regleras ganska exakt, så att befolkningen av celler blir fel heterogen., Men på 1950-talet och början av 1960-talet fanns det få verktyg för att studera tidpunkten för DNA-replikering i enskilda celler. Uppdelning synkronisering av en kultur kunde inte lätt uppnås utan att störa normal tillväxt, t. ex.genom att utsätta kulturen för temperaturförändringar.

den tidigaste modellen för reglering av kromosomcykeln föreslogs av Helmstetter et al. (1968), Cooper and Helmstetter (1968) baserat på en uttryckligen icke-påträngande metod för att synkronisera bakterieceller. De använde sig av” baby machine”, en enhet för att diskret samla” nyfödda ” celler., Det var känt att Escherichia coli-kromosomen består av en enda DNA-molekyl och att dess replikation börjar vid en plats, ursprunget och slutar vid en annan, terminalen. Modellen h&C föreslog att intervallet mellan initiering och uppsägning är nästan konstant vid en given temperatur, oavsett tillväxttakten och mediets rikedom. Förordning handlar därför huvudsakligen om inledande, och detta blev fokus för sådana studier. Men i snabbväxande celler kan den tid som krävs för kromosomreplikation vara längre än cellcykeln., Detta ledde till förslaget att initiering inte behöver vänta på uppsägning men kan ske innan den tidigare replikeringen avslutas, vilket ledde till flera samtidiga replikationshändelser på en kromosom—den så kallade ”multifork replikering” (Yoshikawa och Sueoka, 1963).

dessa sätt att tänka ledde till efterföljande undersökningar av de mekanismer som styr bakteriegenuttryck och kromosomreplikation. Hur regleras syntesen av ribosomala RNA och proteiner? Vad kan detta ha att göra med kontrollen av genuttryck? Hur regleras kromosomreplikation?, Och så vidare. Jag har deltagit i detta arbete och härleda mycket glädje från den sofistikerade förståelsen av de mekanismer som har avslöjats. Men jag står fortfarande i vördnad för det centrala marvel-förmågan hos sådana till synes enkla celler att växa i en sådan perfekt rytm. För ett tydligt manifest av denna outlook, se kommentaren från Neidhardt (1999).

studier av de mekanismer som reglerar tillväxten fick stor hjälp av genetisk analys. Ett stort antal villkorliga mutanter, särskilt av E. coli, konstruerades, t.ex. vissa värmekänsliga (se Hirota et al.,, 1968), lite känslig för kyla (se Ingraham, 1969). Att studera deras fenotyp vid de restriktiva temperaturerna avslöjade mycket om den biokemiska grunden för tillväxt och blev ett viktigt komplement till de rent fysiologiska experimenten.

idag

Även om Köpenhamnsskolan betonade ett kvantitativt tillvägagångssätt, var den mekanistiska förståelsen av tillväxtfenomen i början av åtminstone otvivelaktigt begränsad. Francis Crick kom på det så förfärligt snabbt. När jag besökte honom på Cavendish Laboratory i Cambridge University 1958, han vräkte ur sig: ”Grattis!, Ni startade ett nytt fält, men det är över!”Klunk! I en snäv mening var detta sant för tiden, men även då kunde jag ha blygt hävdat att det fysiologiska fokuset på den växande cellen hade bidragit med en nödvändig motpunkt till molekylär reduktionism. Men det tog tid. I cirka 50 år, fram till 1900-talets början, var tillväxtfysiologin mer eller mindre i latent tillstånd.

nyligen har mikrobiell tillväxtfysiologi sett en återfödelse i en form som söker en djupare kvantitativ förståelse av fenomen på en hel cellnivå., Detta exemplifieras av uppkomsten av systembiologi: ett tillvägagångssätt som möjliggörs av teknik som kan samla in och analysera kolossala mängder information för att avslöja hur intracellulära transaktioner är inbördes relaterade. Faktum är att jag har hört det sagt att systembiologi bara är en allomfattande syn på cellfysiologi, eller, om du vill, en fortsättning på flykten från biokemisk reduktionism. Som har varit sant genom historien fortsätter forskningen om mikrobiell fysiologi att styras av utvecklingen av nya metoder för experimentell och matematisk analys., Några exempel (av många) kan ses i de spännande tidningarna av Edwards et al. (2001), Wang et al. (2010), Valgepea m.fl. (2013), Klumpp och Hwa (2014), och Scott et al. (2014).

hur är bakterietillväxtfysiologin hos gammal kopplad till dagens systembiologi? Både historiska och konceptuella trådar är tydligt synliga (Schaechter, 2006). Gamla frågor, som hur många makromolekylära komponenter som finns i en cell, hur snabbt de görs och hur deras interaktioner resulterar i celltillväxt, kan nu studeras med moderna verktyg., Ändå har de nyare metoderna fortfarande en direkt koppling till de äldre. Ett exempel är den proteomiska mätningen av växande kontra stressad E. coli, först gjord i stor skala i Neidhardts lab (2011). Den första drivkraften för detta arbete var att bestämma antalet proteiner som gjordes vid olika tillväxttakt i kulturen, som snart riktades till att titta på effekterna av fysiologiska påfrestningar., Men detta tillvägagångssätt ersattes snabbt när dessa forskare insåg att sådana studier i stor utsträckning hade fokuserats på vad utredaren tyckte intressant, användbar eller potentiellt viktig för cellen. Snart såg de att de nya metoderna för att kartlägga den globala produktionen av proteiner, särskilt tvådimensionell gelelektrofores, gjorde det möjligt för utredaren att sätta bollen i mikrobeens domstol och upptäcka vad cellen ansåg vara viktig., Många sådana studier av proteinerna som gjorts vid olika tillväxttakt och temperaturer, liksom vid olika påfrestningar, ledde till en nyanserad uppskattning av cellen som ett dynamiskt system, med ett utvidgat universum av regler och relationer som styr dess fysiologi och metabolism.

ett stort värde av systembiologi ligger i dess förmåga att skapa prediktiva modeller, något som har uppnåtts i stor utsträckning med jäst och realiseras med bakterier. Vi börjar få en flerdimensionell syn på det komplexa nätverket av interaktioner som leder till tillväxten av en cell., Som alltid måste den experimentella grunden för detta arbete växa cellerna under reproducerbara och lätt analysbara förhållanden, med andra ord, med kulturer i balanserad tillväxt som utgångsläge. Detta är bara ett av de begrepp som systembiologi ärver från tillväxtfysiologi.

Enfin, aficionados av balanserad tillväxt, som jag själv, påminns ofta om att detta tillstånd är ovanligt i naturen. Detta är inte cellernas fel., De flesta planktoniska celler och eventuellt många sessila växer så snabbt som villkor tillåter (även om de rikliga cyanobakterierna i havet svarar på icke-näringsinduktioner, såsom deras diel klocka). Mikrobiella miljöer är mycket varierande och tillåter vanligtvis endast korta sprutor av obehindrad tillväxt som följer infusionen av livsmedel. Balanserad tillväxt över långvariga perioder finns huvudsakligen i laboratoriet. Men försöksledaren som tillhandahåller villkor som tillåter balanserad tillväxt gör inte mer än att låta celler sätta i handling sin grundläggande längtan att växa., Cellerna tar hand om allt annat.

intressekonflikt uttalande

författaren förklarar att forskningen genomfördes i avsaknad av kommersiella eller finansiella relationer som kan tolkas som en potentiell intressekonflikt.

bekräftelser

Jag erkänner tacksamt hjälp av Doug Berg, John Ingraham, Fred Neidhardt, Irwin Rubenstein och Christoph Weigel skriftligen denna artikel.