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 揭秘细菌挑食之谜

 

  给你一个冰淇淋和一块蛋糕,你先吃哪个?一块面包和一个牛油果呢?两个一块吃吗?1941年微生物学家Jacques Monod给细菌提出了同样的问题。他给大肠杆菌同时提供两种食物(碳源),结果看到了两类不同的现象:对某一些食物组合(比麦芽糖和苹果酸),细菌两种同时吃;而对另一些组合(比如葡萄糖和乳糖),细菌要先吃完一种(葡萄糖),然后再会去吃另一种(乳糖)。随后MonodFrançois Jacob一道,找出了细菌在有葡萄糖和乳糖的情况下只吃葡萄糖的分子机制乳糖操纵子:在这两种糖都存在的时候,细胞不会去表达运输和消化乳糖的相关基因,并获得了1965年的诺贝尔生理学奖。可是为什么细菌要挑食呢?为什么对于有些食物的组合它们又不挑呢?

  北京大学汤超教授团队发现细菌的这一套进食策略能够使它们最优化的生长。如果哪个菌种想任性一把,同时吃葡萄糖和乳糖,或者对麦芽糖和苹果酸挑食,那么它们的代价就是生长速率的降低,进而面临被淘汰的危险。结合代谢网络的拓扑特征和细胞内蛋白资源的优化分配,研究团队的理论模型定量的解释了细菌面对多种碳源的进食策略。在两类碳源同时被细菌消耗的情况下,模型预测并用实验验证了细菌内不同氨基酸上的碳原子来自两种碳源的比例。这个例子进一步说明了在看似复杂的生命现象中,存在简洁的原理与定量的规律。

  相关文章发表在《自然-通讯》杂志上(https://www.nature.com/articles/s41467-019-09261-3)。北京大学定量生物学中心2010级王欣博士(现为哈佛医学院博士后研究员)和生命中心2018级博士生夏康为该论文的共同第一作者,杨晓静助理研究员参与工作。