Тези, които растат по-бързо, умират по-рано - Как скоростта на растеж влияе върху годността на бактериите
Елена Бисели в микроскопа Andreas Heddergott/TUM
„Пригодността на бактериите е по-сложна от очакваното“, обяснява Улрих Герланд, професор по теория на сложните биосистеми в Техническия университет в Мюнхен. Физикът изучава стратегиите за оцеляване на бактериите E. coli от няколко години.
Едноклетъчните организми с латинско име Escherichia coli, които подпомагат храносмилането в дебелото черво на бозайниците, са популярен модел на организъм. С тяхна помощ може да се изследва как живите същества успяват да се адаптират към променящите се условия на околната среда.
Оцелейте в лоши времена
„По-рано беше известно, че биологичната годност зависи от две неща: скоростта на растеж, когато храната е на разположение, и способността да оцеляват по време на недостиг на хранителни вещества“, обяснява ученият. „Въпреки това не беше ясно как тези два фактора са свързани.“
Заедно с екипа си, Герланд за първи път систематично изследва степента, до която бързият или бавен растеж влияе върху оцеляването на бактериите E. coli:
„Доказано е, че промените в условията на отглеждане имат пряко въздействие върху смъртността. Те следват прост закон: най-добре подхранените и най-бързо растящите бактерии са и първите, които умират, когато са лишени от храна. "
Големи бактерии - лоша физическа форма
Така че яденето на твърде много е вредно за бактериалната годност. Но защо? За да намерят отговор на този въпрос, изследователите на TUM провеждат различни експерименти: Първо, културите на бактериите на E. coli са снабдени с хранителни разтвори с различно съдържание.
Във втората стъпка едноклетъчните организми бяха поставени на нулева диета. През целия период учените изследваха дали и колко бързо клетките се размножават и колко дълго оцеляват.
борба за оцеляване
Изследването показа, че независимо колко добре или зле хранени, бактериите спират да се размножават, когато са лишени от храна. В тази "фаза на поддържане" организмът се бори за голо оцеляване: Всички налични енергийни източници - например също клетъчните остатъци от други видове, които вече са умрели - се използват за поддържане на метаболизма.
В тази екстремна ситуация много клетки умират от глад в рамките на няколко дни. Смъртността е особено висока сред бързо растящите бактерии E. coli. „Те са настроени за бърз растеж и губят енергийни ресурси. Това е тяхното унищожаване по време на фазата на глада “, обяснява Герланд.
Всъщност преди това обилно подхранваните бактерии също имат повишено енергийно изискване, както доказват по-нататъшни експерименти. А тези, които се нуждаят от много енергия, не могат да оцелеят във времена на глад.
„Сега разбираме защо еволюцията не благоприятства възможно най-бързото възпроизвеждане“, казва Герланд. "Биологичната годност, която е от решаващо значение за оцеляването на даден вид, се основава на баланса между растежа и оцеляването."
Антибиотична терапия с моркови и пръчки
Резултатите от изследването могат евентуално да се използват в бъдеще за подобряване на ефективността на антибиотиците, например: „Според принципа на морковите и пръчицата може например да се стимулира чревните бактерии да растат, като се консумира десерт. Това би ги отслабило, ако след това вземете антибиотик срещу чревна инфекция “, обяснява Герланд. Но все още е рано за конкретни препоръки. Тук са необходими допълнителни изследвания.
Изследването е финансирано от Немската изследователска асоциация (DFG; SPP1617 и SFB/Transregio 174), безвъзмездна помощ за DFG от Висшето училище по количествени биологични науки Мюнхен (QBM) и грант за изследователска дейност от Европейската организация за молекулярна биология (EMBO). Изследванията са проведени в Катедрата по физика на сложни биосистеми и в Изследователския център за бели биотехнологии към ТУМ.
Професор доктор. Улрих Герланд
Теория на сложните биосистеми
Технически университет в Мюнхен
James-Franck-Str. 1, 85748 Гархинг, Германия
Тел .: +49 89 289 12394 - E-Mail: [email protected]
Елена Бисели, Северин Йозеф Шинк, Улрих Герланд:
По-бавният растеж на Escherichia coli води до по-дълго оцеляване при въглероден глад поради намаляване на скоростта на поддържане
Биология на молекулярните системи, (2020) 16: e9478 - DOI: 10.15252/msb.20209478