休眠后,如何在合适的时间醒来?

作者: 埃莉斯·卡茨(Elise Cutts)

来源: 环球科学

发布日期: 2023-02-20 21:30:12

一项新研究揭示了细菌芽孢如何通过“电子时钟”决定何时复苏,这不仅有助于理解生物学基础,还可能提高食品安全性及治疗效果。

有时候,拖延或者说延迟也是有好处的。当环境压力变得太大时,许多细菌会将它们内部的一些组分装进一种抵抗力超强的特殊结构中。这种结构叫做芽孢(spore),会进入休眠状态,等待适宜的时机复苏——有时需要等待几个世纪的时间。但这些看似死亡的芽孢是如何识别出适合复活的最佳环境的?一项发表在《科学》(Science)上的新研究揭示了细菌芽孢是如何决定何时复苏的:通过设置一个“电子时钟”。

饥饿、辐射、酷热、严寒、甚至是太空真空环境,都对芽孢而言不成问题。从表面上看,这些芽孢似乎“一无是处”,美国加利福尼亚大学圣迭戈分校的生物物理学家居罗尔·叙埃尔(Gürol Süel,这项研究的通讯作者)说:“如果把这些细胞带到医院,它们可能刚到医院就会被宣布死亡。”芽孢只有在休眠状态下才是“坚不可摧”的。

所以,它们会避免在环境条件不那么适宜的时候复苏,美国康涅狄格大学的生物化学家彼得·塞特洛(Peter Setlow,未参与这项研究)表示:“如果它们做了错误的决定而在不恰当的时机醒了过来,那么就只有死路一条。”

这项研究揭示了芽孢是如何做出复苏的决定的。

对于会产生芽孢的细菌来说,一个细菌会先创造出DNA的一个副本,然后将这个副本装进一个小隔室内,这个小隔室会被包裹在一个保护性外衣中,从而形成一个芽孢;随后,这个芽孢会随着芽孢囊(细菌的空壳)的裂解而释放出来。由此一来,这个细菌就死亡了。叙埃尔表示,形成的芽孢会储存大量的钾离子,这就产生了一个可以储存电能的“生物电容器”。每当芽孢接触营养物质,就会释放一些钾离子,以此消散一些电荷。

一旦这种情况发生得足够多,它们储存的电荷会降到阈值以下,然后芽孢就会萌发,因为它们判断萌发后很有可能不会“饿死”。

“这项研究是这一领域的一个重大进步,”塞特洛说,“它为我们带来了一种全新的方式来理解芽孢萌发。”了解芽孢是如何“计数”环境中有多少营养物质,或许可以帮助我们提高食品的安全性,因为产芽孢细菌能够耐受严酷的灭菌程序,所以会在复活后导致食物中毒。休眠也能帮助一些致病菌逃避攻击,早点“叫醒”它们就可以提高治疗效果。因此,“人们对如何使芽孢快速萌发非常感兴趣。”塞特洛补充道。

叙埃尔表示,这项研究结果表明“离子倒计时”(ionic countdown)可能是地球生命的基础。神经元也会用电信信号评估应当何时放电,而且研究人员发现,用于描述神经元的模型恰好也能预测芽孢的行为。还有捕蝇草会根据电信号的变化而迅速闭合,而且所有的细胞都会利用离子流动来储存和释放能量。“这些电位并不是最新发现,而是在几百万年前被发现的。

”叙埃尔说,“如果不仅考虑基因表达、蛋白质和DNA的影响,还加上这些带电离子的作用,将会使我们更好地理解生物学中的其他哪些方面?”

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