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细菌为什么不能更大或更小?

2016/04/16 来源:生物探索
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导读
为了找出细菌为什么不能更大或更小的原因,计算生物学家提出了一个计算机模型来预测微生物的代谢和细胞组成在细胞大小改变的时候如何变化。相关文章在这个月的ISME杂志上发表。


一个细菌的大小能够改变八个数量级:如果最小的是你手的大小,它巨大的表亲体内能放置得下4000个拖拉机。尽管更大的个体生长更迅速繁殖更快,但是这些微生物长多大是有限制的。

为了找出原因,计算生物学家提出了一个计算机模型来预测微生物的代谢和细胞组成在细胞大小改变的时候如何变化。这个方法运用了细菌为其成分:DNA,蛋白和叫核糖体的分子工厂需要多少空间的细节。空间的约束控制了最大和最小的细菌的大小,相关文章在这个月的ISME杂志上发表。

文章提出了一个包含基因组、蛋白、细胞膜、RNA和核糖体含量变化时细胞体积变化趋势的分析。研究表明蛋白质含量的趋势要比全基因组大小简单的比例更复杂。核糖体的数目可以由生物合成在种间变化时的需求来解释。这一视角跨越了巨大的物种多样性和细胞体积大小的5个数量级。

细菌不能收缩得更小因为必须给DNA和必需的蛋白留出空间。它们不能变的更大,因为更大的物种与它们增加的周长成比例地需要更多的能量,因此它们需要更多的核糖体。最大和最小的细菌是由物理空间要求所限制的。在大小上较小的一端,细胞体积由DNA和蛋白含量控制着。这是用来预测细胞大小最低要求的限制,也和观察到的最小细胞很好地一致。在细胞大小较大的一端,研究人员已经确定了一个点。在这个点以上生物合成所需的核糖体的数目超过已有的细胞体积。在这些界限之间可以讨论在细胞成分上系统的和急剧性的变化。这里很多分析和细胞基础动力学相关,在此还发现细胞代谢率是出奇地和所有细胞成分成线性的比例。

总的来说,最小细胞面对生长率、能量限制和基本成分的物理空间的限制。这一研究演示了不同的细胞成分如何连接在一起提供一个基础,以理解和细胞大小相关的生理方面的权衡。在此基础上往前走,需要将这个工作关于细胞大小和成分如何应对环境条件和压力联系起来。要真正理解对于最小细胞的全套限制和定义物种所需的权衡,还需要继续观察支持这些跨物种的趋势。这样做时,我们可能会获得进一步观察关键的进化分支以适应各种生态环境,更好地理解产生和维持简单生命的要求。

知道微生物的最小大小可以帮助生物学家在地球之外寻找生命,防止因太小而漏掉了生命的迹象。了解细菌最大的大小有助于启发生物学家仔细了解其它微生物,比如单细胞真核生物如何绕过这个限制。

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