来自普林斯顿大学校园的一组研究人员合作确定了大肠杆菌在被剥夺三种主要营养素(碳，氮和磷)时的反应。

他们惊讶地发现细菌有不同的策略来处理每种营养限制。更令人惊讶的是，当碳量有限时，大肠杆菌通过建立其蛋白质生产基础设施来应对，主要是为碳还会丰富的一天做准备。

“大肠杆菌具有必要的乐观性 - 它预计未来它将获得更多的碳，”生物学教授Edwin Grant Conklin和7月23日在线发表于NatureMedrobiology上的一篇论文的资深作者Zemer Gitai说。所有七位合着者都是来自六个省的普林斯顿大学科学家。

Gitai说，它可以帮助将细胞想象成一个装满玩具(蛋白质)的个体装配线(核糖体)的玩具工厂。碳和氮是玩具的关键组成部分，磷对装配线至关重要。

“当资源紧张时，细胞决定制造，”吉泰说。“材料的正确使用 - 其可用资源的正确用途是什么?”我是否会投入资源制造更多的装配线或更多的玩具?'“

“玩具”蛋白质是允许细胞生长，分裂或增加质量的基本构件。细胞产生蛋白质的速度越快，它的生长就越快。几十年来科学家们已经知道，核糖体(装配线)的数量与大肠杆菌中蛋白质(玩具)产生的速度之间存在直接的线性关系。这导致了一种被广泛接受的理论，即这些装配线中的每一条都经过“优化”，以其最高效率不断运行，以尽可能快地生产蛋白质。

“令人惊讶的是，目前的研究从根本上改变了这种观点，”霍华德A.生命科学先前教授，分子生物学教授和Lewis-Sigler综合基因组学研究所(LSI)的Ned Wingreen说道，他也是一位通讯作者。在纸上。

研究小组发现，当他们限制碳和氮的使用时，玩具中的关键成分，细胞生长缓慢但稳定，同时也生产越来越多的闲置装配线。

“在极端的碳限制下，大约一半的核糖体 - 装配线的一半 - 甚至都不起作用，”Gitai说。“这似乎违反直觉，对吧?这看起来很浪费。为什么要建造你的工厂，以便你有两倍的装配线，然后不用你的装配线的一半?我们认为这可能有利于在时间变化时提高生产量，果然，这就是我们所看到的。“

这些细菌生活在饥饿或饥荒的环境中，如人类的肠道，饥饿的时期可以随着芝士汉堡的突然到来而结束。“当所有这些新营养素进入时，你就有能力更快地生产，”Gitai说。“你已经完成了所有这些装配线 - 他们已经准备好了，现在他们可以起飞，现在你可以击败你的竞争对手，因为你不必投资所有这些基础设施，制造所有这些新的装配线你有他们成立。“

报告的第一作者，研究生Hsin-Jung(Sophia)Li说，这对大肠杆菌的竞争策略有着有意义的影响。“也许细菌的目标不是最大化目前的增长，”她说。“他们可能正在为更好的时代做准备 - 更具前瞻性。”

“总的来说，这项工作为细菌和潜在的其他生物提供了新的视角，这表明它们的进化不仅是为了应对当前的状况，也是为了应对不断变化的世界中的生命，”Wingreen说。

“这是一次激动人心的旅程，”2016年博士Junyoung Park说道。毕业于化学和生物工程，现为加州大学洛杉矶分校的化学和生物分子工程教授。“我们从一个简单的观察 - 营养特异性RNA-to-protein比率开始 - 但最终得到了对细胞竞争策略的迷人见解。”

研究人员发现，当不同营养素有限时，大肠杆菌会采用不同的策略。“限碳电池会产生大量不活动的装配线，”李说。“氮限制细胞使产品变得更慢。但是磷限制细胞 - 这是令人兴奋的部分 - 仅使用一半的装配线来生产相同数量的玩具。”

核糖体装配线依赖于富含磷的RNA，因此通过限制其可用性，研究人员基本上使玩具成分便宜但装配线非常昂贵。

“第一个令人惊讶的是，这里有一个营养特定的故事，我们以三种不同的方式实现了相同的增长率，”Gitai说。“但真正令人惊讶的是磷。我们发现，如果我们使装配线更加昂贵，突然相同的装配线可以以相同的速度抽出玩具，使用一半的装配线。这告诉我们，在碳 - 在氮气限制条件下，这些装配线实际上并没有尽可能快地运转。“

这推翻了优化核糖体的长期模型，并促使研究人员利用Li领导的定量实验相结合的方式研究核糖体的作用机制，并由Wingreen和李志远的建模和理论工作所支持。普林斯顿理论科学中心副研究员。他们还与2017年毕业于物理专业的Christopher King和化学与LSI教授Joshua Rabinowitz合作。

将大量的生物数据转化为一个清晰的理论，说明了数据科学的“魅力”，李志远表示，将测量结果处理成“个体珍珠”，然后通过数学模型将它们串成一条漂亮的项链，揭示了潜在的联系“。

“这篇论文对社区做出了巨大贡献，”魏茨曼科学研究所植物与环境科学系首席研究员Ron Milo说，他没有参与这项研究。“它让我们更好地了解细胞如何决定资源分配，这可能与生物技术生产增值化学品有关。”

Gitai说，这项研究还提出了一个新问题：“很多细菌都使用这种策略吗?你可以想象，在一个细菌群体中，有些物种是乐观主义者，有些物种是悲观主义者......这是一种有吸引力的想法是大肠杆菌的这种“永恒的乐观主义”允许它在即时利益和长期利益之间进行权衡。当时间不好时，它会说，'好吧，我不会去担心我现在可以做的事情，但我会为时机变得更好做好准备。'“

索菲亚·李说，这项研究最大的惊喜之一就是这种彻底研究过的细菌仍然会让它的微观袖子翘起来。“甚至大肠杆菌，可以说是最容易理解的生物体，仍然可以给我们带来新的惊喜和有趣的生物学学习。”