一項新的研究表明，當細菌在實驗室中暴露于不同的極端環(huán)境時，會對酸水平產(chǎn)生更高的新敏感性。

這種感覺觸發(fā)了一連串不同的基因表達，使微生物能夠?qū)⒆约褐匦屡渲玫讲粩嘧兓臉O端情況。

從最小的細胞到最大的鯨魚，所有生命都面臨著不斷變化的和循環(huán)環(huán)境條件.

為了更好地了解我們?nèi)绾卧谏砩蠌澢竭@種極端，納什維爾范德堡大學的微生物學家 Sarah Worthan 和她的團隊推動了大腸桿菌細菌達到極致。

一些細菌種群能夠快速進化出幫助它們茁壯成長的基因突變。癌癥也利用生成的 mutation，為自己創(chuàng)造一個更有利的環(huán)境。

“我們的結(jié)果表明 [這些突變] 可能有助于通過 pH 感應(yīng)快速協(xié)調(diào)復(fù)雜的生理反應(yīng)，并闡明細胞群如何利用環(huán)境線索來協(xié)調(diào)對復(fù)雜、波動環(huán)境的快速反應(yīng)，”研究人員寫在他們的論文里.

Worthan 及其同事通過暴露 16 個大腸桿菌在將它們轉(zhuǎn)移到營養(yǎng)豐富的新鮮環(huán)境中并重復(fù)該過程之前，會進行一陣又一輪的極端、長期的饑餓。

隨著微生物挨餓，代謝廢物積累，導(dǎo)致其環(huán)境 pH 值發(fā)生劇烈變化。然后，每 100 天用新的資源重新開始細菌，復(fù)制現(xiàn)實世界中生活經(jīng)常面臨的盛宴和饑荒循環(huán)。

單個蛋白質(zhì)構(gòu)建單元的變化在其中 7 個細菌種群中如雨后春筍般涌現(xiàn)并傳播，其中大部分僅在實驗的前 300 天內(nèi)。這種氨基酸從精氨酸更改為組氨酸發(fā)生在 Rho 蛋白中——一種參與告訴細菌的蛋白質(zhì)制造機制何時停止生產(chǎn)的分子。

“這種柔在我們的實驗室進化培養(yǎng)物中反復(fù)出現(xiàn)，”解釋范德堡大學微生物學家梅根·貝林格。

“我們返回基因組數(shù)據(jù)，注意到柔與名為 'ydcI.'對這個基因知之甚少，但最近的研究表明它可能在 pH 穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮作用。

正常的 Rho 蛋白有助于細菌細胞在盛宴狀態(tài)下表現(xiàn)得更好，但當其所有者面臨饑荒時，它是一個障礙。Worthan 和團隊發(fā)現(xiàn)突變ydcI使細胞能夠更好地耐受 Rho 蛋白的變化。

這ydcI突變似乎對 pH 值的變化有反應(yīng)。因此，它充當一個開關(guān)，由環(huán)境的變化打開，以觸發(fā)單個單元格內(nèi)的變化。

“盡管細菌通過其細胞外環(huán)境相互相互作用，但單個細胞對其細胞內(nèi)環(huán)境有一定的控制權(quán)，”說布拉頓。

這些基因協(xié)同工作，使細胞更容易在生理上彎曲以適應(yīng)不斷變化的環(huán)境條件。該團隊在自然界中發(fā)現(xiàn)了幾個相同機制的例子。

“我們在這種被忽視的病原體中發(fā)現(xiàn)了它，桿菌狀巴爾通體，這會導(dǎo)致南美洲安第斯山谷的腐肉病，”說貝林格。

“這種細菌已經(jīng)知道 pH 值因為它在通過沙蠅媒介傳播時，必須從高 pH 值的昆蟲腸道迅速調(diào)整到人類血液的中性 pH 值。

善于適應(yīng)有助于細胞勝過其他細胞，正如我們所看到的癌癥.癌癥似乎也利用類似的機制來提高其內(nèi)部 pH 值，產(chǎn)生不同基因表達的級聯(lián)反應(yīng)，然后用于重塑周圍的細胞環(huán)境。

這些結(jié)果說明了“實驗進化在識別與自然環(huán)境相關(guān)的功能重要突變方面的力量”，Worthan 和團隊結(jié)束.

這項研究發(fā)表在美國國家科學院 （PNAS.

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