细菌中的阴和阳,科学家发现,两种互斥的信

本文参加百家号#科学了不起#系列征文赛。细菌被认为是自然界中的生存专家，它们能在环境中资源贫瘠的时候，控制菌落的新陈代谢，以保持群体的延续；能在资源充足的情况下，快速繁殖壮大，争夺对其他细菌的生存优势。根据巴塞尔大学的研究人员的说法，细菌对不断变化的环境条件的快速适应性反应是基于两个相互竞争的信号分子，作为代谢控制的“阴阳”，它们决定了细菌的生存方式。无论它们是病原体、深海微生物还是土壤生物，为了生存，微生物必须能够迅速适应环境的各种变化，包括养分的枯竭。来自巴塞尔大学的尤尔斯·耶拿教授（UrsJenal）和蒂尔曼·席尔默教授（TilmanSchirmer）为首的科学家们，现在发现细菌使用两种化学相关的信号分子来调整他们的生活方式以适应当前的生活条件。研究人员在最新一期《自然微生物学》（NatureMicrobiology）上发表了他们的研究结果。和阴阳一样，这两种分子包含两种相互控制细菌生长和新陈代谢的力量。研究人员以新月形茎杆菌为实验生物，研究了这种细菌细胞中两个信号分子：ppGpp和c-di-GMP的拮抗性质。这种细菌可以分为两种不同的状态：一种是自由游动，无法分裂，另一种是表面附着的繁殖状态。研究人员发现，新月形茎杆菌的生存方式和环境条件都反映在这两种信号分子的浓度上，而这种信息能够被一种蛋白质检测到，这种蛋白质结合信号分子并起到分子开关的作用，控制细菌的生长、新陈代谢和生活方式。信号分子ppGpp和c-di-GMP竞争与主开关结合。“在养分不充足的条件下，细菌中聚集了大量的ppGpp，这种蛋白质被激活了，这种蛋白质会变得活跃，”尤尔斯·耶拿教授解释道。在这种状态下，新月形茎杆菌对葡萄糖的消耗是如火如荼的。同时，细菌所产生的有害氧自由基被有效地中和了，这确保了新陈代谢反应适应游动细胞的高能量需求，避免了细胞损伤。在良好的生存条件下，营养充足，c-di-GMP水平不断提高，迫使自由游动的细菌发展成无固定状态。在这种情况下，c-di-GMP从蛋白质的结合袋中取代ppGpp分子信号，ppGpp分子信号改变了它的结构并关闭了自己。这个过程最终改变了代谢反应，使细菌得以形成固定的菌落、生长和繁殖。随着用于表面附着的粘合剂的增加，菌落的壮大速度也得到提高。通过这两种分子主开关，科学家们发现了两个大的调控网络之间的联系，到目前为止，这两个网络一直被认为是独立运作的。虽然茎杆菌是一种无害的环境细菌，但新发现的“阴阳”机制也可能在病原体中发挥重要作用。这可能被证明是至关重要的：ppGpp和c-di-GMP都以不同的方式影响细菌的毒性和持久性以及抗生素耐药性，从而影响许多感染的病程。对于ppGpp和c-di-GMP这两种影响细菌生长和繁殖的分子信号，科学家们还要做更多的研究工作，以揭开其中更深层次的秘密。期待在不久的将来，科学家们能通过这两种信号，有效控制有害病菌的生长和繁殖，减少更多人的病痛。

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