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生命的基本前提是活的有機(jī)體能夠適應(yīng)不斷變化的環(huán)境條件。在一項(xiàng)新的研究中，來自德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)和美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員確定了細(xì)菌用來適應(yīng)不同環(huán)境的調(diào)節(jié)機(jī)制是基于一個(gè)全局控制過程的，這個(gè)過程能夠用一個(gè)方程加以描述。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2017年11月2日的Nature期刊上，論文標(biāo)題為“A global resource allocation strategy governs growth transition kinetics of Escherichia coli”。
 

圖片來自Schink and Gerland/TUM。

環(huán)境條件，比如溫度、光線、營養(yǎng)物的可獲得性和很多的其他參數(shù)，在地球上不斷地發(fā)生變化。每個(gè)有機(jī)體，甚至每個(gè)細(xì)胞都有無數(shù)的機(jī)制來適應(yīng)這些變化。

研究的例子之一是大腸桿菌（Escherichia coli），即一種也存在于人類腸道中的細(xì)菌。營養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)在不同的時(shí)間存在著變化。為了生存，這種細(xì)菌必須具備適應(yīng)這些變化條件的能力。

1965年，Jacques Monod因證明細(xì)菌通過產(chǎn)生不同的蛋白來適應(yīng)變化的環(huán)境條件而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。比如，當(dāng)容易獲得的營養(yǎng)物含有乳糖時(shí)，它們就合成一種酶來降解乳糖。

但是，半個(gè)多世紀(jì)以來，盡管人們有很大的興趣和開展過大量的研究工作，但是這種復(fù)雜的調(diào)節(jié)機(jī)制的生化細(xì)節(jié)還沒有充分解釋和理解。

適應(yīng)動(dòng)力學(xué)

慕尼黑工業(yè)大學(xué)物理系教授Ulrich Gerland領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)和加州大學(xué)圣地亞哥分校教授Terence Hwa領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)將研究重點(diǎn)放在基礎(chǔ)的調(diào)節(jié)機(jī)制上，而不是這些反應(yīng)鏈的分子細(xì)節(jié)上。他們考慮了一個(gè)問題：細(xì)菌如何能夠快速地適應(yīng)它們的環(huán)境變化？

在實(shí)驗(yàn)室里，他們研究了細(xì)菌的生長：首先僅給它們提供有限的營養(yǎng)物，然后給他們提供足夠的營養(yǎng)物，反之亦然。由于存在這種適應(yīng)過程，在這些變化發(fā)生后，細(xì)菌的生長速度有所延遲。

當(dāng)他們先給他們的細(xì)菌提供一種營養(yǎng)物，隨后提供其他的其他營養(yǎng)物時(shí)，細(xì)菌的生長暫時(shí)放緩時(shí)，即便總是有足夠的營養(yǎng)物供應(yīng)。他們給出的解釋是細(xì)菌首先必須適應(yīng)它們生存的消化系統(tǒng)。為此，這些細(xì)菌相應(yīng)地調(diào)整某些酶的濃度，而且合成這些酶也需要時(shí)間。

穩(wěn)態(tài)模型

這些研究人員開發(fā)出一種模型來更好地理解這些適應(yīng)機(jī)制。這種模型以一種自上而下的方式僅使用關(guān)于這種調(diào)節(jié)機(jī)制的生化細(xì)節(jié)的定性信息。它評(píng)估細(xì)胞中的物質(zhì)流動(dòng)，并建立代表物質(zhì)運(yùn)輸?shù)姆匠淌?。通過研究物質(zhì)平衡，他們成功地將各種調(diào)節(jié)機(jī)制匯總到一個(gè)全局微分方程中。

在總結(jié)這項(xiàng)研究的結(jié)果時(shí)，Ulrich Gerland說，“我們的調(diào)節(jié)機(jī)制穩(wěn)態(tài)模型正確地描述了適應(yīng)營養(yǎng)物變化以及可用營養(yǎng)物的增加、減少和變化的時(shí)間過程，而且在沒有可調(diào)節(jié)的參數(shù)的情形下定量地進(jìn)行描述。”

Ulrich Gerland說，“明顯的是，生長適應(yīng)的動(dòng)力學(xué)不依賴于單個(gè)生化反應(yīng)的微觀細(xì)節(jié)，而是依賴于用于蛋白合成的資源全局重新分配戰(zhàn)略。因此，可以想象的是，我們的理論模型個(gè)可能適用于一系列類似的動(dòng)力學(xué)過程。” （生物谷 Bioon.com）

參考資料：

David W. Erickson, Severin J. Schink, Vadim Patsalo et al. A global resource allocation strategy governs growth transition kinetics of Escherichia coli.Nature, 02 November 2017, 551:119–123, doi:10.1038/nature24299