近日，我院微生物定量生物學(xué)課題組戴雄風(fēng)博士與朱曼璐博士應(yīng)邀在Taylor&Francis旗下微生物領(lǐng)域著名期刊《Critical Reviews in Microbiology》發(fā)表了題為“On the intrinsic constraint of bacterial growth rate: M. tuberculosis’s view of the protein translation capacity”。我院為第一兼通訊作者單位。
快速地以二分裂進(jìn)行增殖是細(xì)菌最核心的特征之一。自然界中不同的細(xì)菌經(jīng)歷的營養(yǎng)環(huán)境包括營養(yǎng)的質(zhì)量與豐度千差萬別。在漫長的進(jìn)化過程中，不同種類的細(xì)菌為了適應(yīng)不同的生長環(huán)境，彼此之間產(chǎn)生了巨大的生長能力差異。不同細(xì)菌的最快分裂速度可以從15分鐘一代到數(shù)天一代。一些典型的例子如下：大腸桿菌、枯草芽孢桿菌、沙門氏菌以及霍亂弧菌最快生長速率為20分鐘一代；丁香假單胞菌屬最快生長速率為2-3小時一代；大豆慢生型根瘤菌、紅螺菌屬最快生長速率為5-6小時一代；最極端的例子如結(jié)核分枝桿菌即使在最快生長情況下分裂期也長至一天。類型的邏輯可以進(jìn)一步延伸至真核細(xì)胞中，比如釀酒酵母最快生長速率為60分鐘一代；粗糙脈胞菌最快生長速率為50分鐘一代；而細(xì)小裸藻最快生長速率僅僅為十五個小時一代。此外在動物細(xì)胞中，增殖最快的腫瘤細(xì)胞最快生長速率可以達(dá)到14小時一代。酵母細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞雖然是真核細(xì)胞，但在“頂層設(shè)計(jì)原理“上與快速增殖的細(xì)菌有驚人的相似性。如，上調(diào)核糖體合成、增大細(xì)胞體積、采用糖酵解無氧呼吸進(jìn)行能量供應(yīng)并大量分泌乙醇或乳酸等代謝廢物（“Warburg effect”）。
生長是細(xì)菌的核心特征。但是為什么不同種類的細(xì)菌有如此千差萬別的最大生長速率？生長能力的差異是為了適應(yīng)什么而存在？這兩個問題是圍繞細(xì)菌的重要生命奧秘之一，也是微生物學(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)性、根本性的問題。目前人們對不同細(xì)菌生長能力差異的內(nèi)在限制因素認(rèn)識極少，我們急需新的研究思路作為突破口。
為了簡化研究思路，該論文中采用結(jié)核分枝桿菌（M. tuberculosis，簡稱Mtb）作為模式研究生物。Mtb是結(jié)核?。ㄈ祟愖罟爬系囊环N疾?。┑闹虏≡?。世界衛(wèi)生組織最新數(shù)據(jù)顯示，Mtb每年新增感染病例900萬例，造成300萬人的死亡，在全世界范圍內(nèi)潛伏感染20億人口。Mtb有一個匪夷所思的生長速率：最快為1天／代（大腸桿菌最快為20分鐘一代）?？紤]到蛋白質(zhì)合成在細(xì)菌生長中的核心地位，在這篇理論研究論文中，戴雄風(fēng)博士與朱曼璐博士從兩個不證自明的有關(guān)蛋白質(zhì)合成與核糖體合成的質(zhì)量守恒方程出發(fā)，利用邏輯推理與數(shù)學(xué)演繹推導(dǎo)出了一個細(xì)菌生長法則的理論研究框架，包含了潛在的決定細(xì)菌生長的幾個數(shù)學(xué)參數(shù)（如核糖體翻譯延伸速率、參與合成rRNA的RNA聚合酶豐度等）。通過大量的搜集文獻(xiàn)信息，初步證明了該定量理論框架的正確性，為未來的系統(tǒng)性研究指明了方向。
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http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/1040841X.2018.1425672
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