Açlık sırasında yüzmek ya da yüzmemek

Motilite pahalı!

“Zenginler bizden farklı”.
“Evet, daha fazla paraları var”.¹

Her zaman nasıl büyülenmiştim nicel Farklılıklar ortaya çıkabilir nitel ayrımlar. Biyolojide bunun birçok örneği var. Bu nedenle, “Sayılarla Hücre Biyolojisi” ve İlişkili Bionumber veritabanı kitabının büyük bir hayranıyım. Postdoc'umun başlangıcında, bunun yüzme kararlarına nasıl rehberlik edeceğini görmek için bakteriyel hareketliliğin metabolik maliyeti sayılarıyla oynuyordum. Sorun, birçok makalenin maliyeti farklı birimlerdeki bildirmesiydi. Bu nedenle, öğretmenlerimden birinin “biyolojide 20 dolarlık fatura” olarak tanımlandığını saniyede ATP açısından ifade etmeye başladım (serbest bırakılan serbest enerji, Termal gürültü ile ayarlanan temel enerji seviyesinin yaklaşık 20 katıdır, KT “4 · 10'a eşdeğer bir temel enerji ölçeğidir.^-21 J). Tüm işlemler doğrudan ATP tarafından yönlendirilmese de, enerji gereksinimlerini ölçmek için yararlı bir para birimi buluyorum.

Motilitenin maliyeti nedir? Tabii ki, bakterilerin ne kadar hızlı yüzdüğüne bağlı: Birçok bakteri yaklaşık 20 μm/s'de yüzüyor, bu da yaklaşık 10.000 ATP/s'ye karşılık geliyor. Birçok deniz bakterisi daha hızlı yüzer: 60 μm/, 100.000 ATP/s gerektirir. Bu çok mu? Bu bağlı. Bakteriyel bir hücre, biyokütlesini ikiye katlamak ve bölmek için 20 milyar (20.000.000.000) ATP gerektirir (Bioid 114702). Bir hücre 40 dakika içinde bölünürse, bu yaklaşık 10 milyon ATP/s'dir. Buna kıyasla, motilite hücresel metabolizmanın% 0.1'ini (veya hızlı yüzüyorlarsa% 1) içerir. Bu sayıları düşünerek, açlık sırasında bunun tamamen farklı olacağını fark ettim. Büyüme olmadan hücreler tarafından dağıtılan güç, hücresel bakım enerjisinin çoğu yaklaşık 10.000 ATP/s'dir.². Yani, bir bakteri yüzdüğünde, orta hızlarda bile, bir hücrenin yapabileceği en pahalı şeylerden biri haline gelir!³

Ancak açlık sırasında potansiyel avantajlar da büyüktür. Etrafınızda yeterli yiyecek olmadığında, daha fazlasını aramaya başlamak mantıklıdır. Bir bakteri aktif olarak hareket etmezse, yayılır, ancak bu gerçekten yavaştır (yaklaşık 10 difüzyon katsayısı vardır^-8 santimetre²/S). Bir hareketli bakteri, difüzyonla da tanımlanabilen, ancak 100 ila 1000 kat daha yüksek difüzyon katsayısı ile rastgele bir yürüyüş gerçekleştirir: ortalama arama süresinin bir yıldan bir güne getirilmesi. Bu nedenle, okyanus gibi, besin açısından zengin sularla çevrili besin açısından zengin sıcak noktalara sahip güçlü heterojen ortamlarda, her ikisi de çok maliyetlidir, ancak bir arama başarılı olursa, hareketli olmak için son derece ödüllendiricidir. Risk-ödül değişimi doğdu! Bunun vahşi doğada nasıl oynayacağını merak etmeye başladık.

2. akrabalar arasında güçlü bir şekilde farklı davranış

Laboratuarda, bazılarının hareketli olduğunu ve yüzmeyi sevmeyen (motilite genleri olmasına rağmen) bildiğimiz birçok deniz bakteri koleksiyonumuz vardı. Literatürde, açlık sırasında yüzmeye devam eden bakterilerin raporları olmasına rağmen, açlığın hareketliliği engellediğine dair geniş bir fikir birliği var gibi görünüyordu. Bu farklılıklar, açlık koşulları veya hareketliliği ölçme yöntemi gibi deneylerdeki farklılıklardan kaynaklanan farklılıklar ne kadardı? Öğrenmenin tek bir yolu vardı. Bu, Laboratuar kullanımını sınırlayan Covid Pandemi'nin ortasında birçok kısıtlama ile bir lisans projesi olarak başladı (harika bir iş çıkaran Lisa Moor tarafından). Onları aç bırakırken, yakından ilişkili türlerin çok farklı davrandığını çabucak öğrendik. Açlıktan öldüğünde, bazı türler yüzecek, diğerleri hiç de değil. İşte bir örnek olan bir suş videosu – her biri yaklaşık bir gün boyunca açlıktan, biri yüzme hücresi (solda) ve diğeri birçok yüzme hücresi (sağda) ile açlıktan öldü:

https://www.youtube.com/watch?v=n2wl6rcbafs

Doktora sırasında, tüm işlerim tek bir türün tek bir suşunda gerçekleştirildi, E. coli RP437. Her zaman tek bir bakteriyel suş üzerinde çalıştıktan sonra doğa hakkında nasıl bir şey söyleyebileceğini merak ettim (model organizmaların kullanımları olmadığını söylemek değil!). Bu yüzden, bu davranışı gerinim toplamamızda keşfedip keşfedemeyeceğimizi gerçekten merak ettim. 18 farklı türden 26 suşa yerleştik. Bir süreklilik bulmayı bekliyordum, ancak bunun yerine ıraksak davranışların oldukça genel olduğunu gördük: Yıkama protokolü bittiğinde hemen hareketliliği hızla bırakacaklardı ya da birkaç gün boyunca mutlu bir şekilde yüzeceklerdi.

3. Bir isimde ne var?

Dolayısıyla, risk-ödül değişiminde temelde iki farklı çözüm var gibi görünüyordu. Aramaya devam eder veya kaynakları durdurur ve korur. Bir isim varsa bu iki farklı davranış hakkında konuşmanın çok daha kolay olduğunu fark ettik. Bu eğlenceli ama yavaş bir süreçti. ChatGTP'den önerilerden sordum ama bunlar telaffuz etmek zordu. Bir süre, onlara “tutma” ve “vazgeçmeyi” suşları olarak adlandırmayı düşündüm. “Persisters” mükemmel olurdu, ancak bu kelime zaten antibiyotiklere duyarlılık bağlamında farklı bir davranış olduğu iddia edildi. Böylece, İngilizce kelime dağarcığının sınırlarına ulaşarak, başka bir dile başvurmak zorunda kaldık. Fizik ve matematikte kullanımda kalan bazı Almanca kelimeler var ('özvektör', 'ansatz'), ancak elbette biyolojide Yunanca dönüyor. Bu yüzden antik Yunan için çevrimiçi bir sözlük aradım ve buldum λιμός ('Limo') açlık için, yüzme için πλοῦς ('Pous') ve hareket etmek için ναφόρος ('naphoros'). Olasılıklar hakkında düşündükten sonra, bir anı anı: 'Limostatik' beni vurdu, temelde limuzleri (açlık) ve statik (İngilizce, ancak Yunan kökenli) birleştirdi. O zaman diğer strateji basit görünüyordu: 'Limokinetik'. [I have noticed, some people writing the classification for marine bacteria as limnokinetic, as ‘limno’ stands for lakes. I don’t think salinity defines our results, so not at all wrong!]

4. Maraton koşucuları olarak bakteriler

Başlangıçta açlık sırasında yüzen hücrelerin, limokinetik suşların daha hızlı ölmesi gerektiğini düşündüm, ancak çok fazla kaplama ve koloni sayımından ve akış sitometrisi ile hücre sayımından sonra, bakterilerin gerçekten ölmediği açıktı toplu olarakintital hipotezimi çöpe atarak, farklı bir deney sırasında bir yüzme popülasyonunun optik yoğunluğunun düştüğünü fark ettim. Tabii ki optik yoğunluk biyokütle için bir proxy olarak kullanılır. Bunun orantılı olduğundan tam olarak emin olmasam da, benim için nitel fark çarpıcıydı: yüzen kültürlerin OD'si her gün ilk biyokütlenin yaklaşık% 9'u ile azalırken, Motiliy'i durduran kültürlerin OD'si temelde sabit kaldı.

Bu, gezide çok mantıklı geldi: heterotroflar için, bu popülasyondaki tek erişilebilir enerji karbonda mevcut olan kimyasal enerjidir ve tek karbon temel olarak popülasyonda, biyokütle şeklinde depolanmıştır. (Bazı heterotrofların, fotosenteze kıyasla farklı bir yöntem olan rhodopsins kullanarak ışık hasat edebildiği bilinmektedir, ancak bu burada bir rol oynamaz veya en azından test ettiğimiz toplulukta değil). Hücre sayısı gerçekten azalmadığında, bu tek hücreli biyokütlenin aşağı inmesi gerektiğini gösterdi: Yüzme hücreleri, hareket etmeye devam etmek için biyokütlenin bir kısmını feda ediyor. Maraton koşucuları gibi.

Bir süredir bu projeden gurur duydum çünkü bu benim en düşük teknoloji ürünü. Doktora derecemde bilimin ilerlemesinin ancak teknolojik yenilikle elde edilebileceğine inanıyordum. İnovasyon ve yeni enstrümanların kesinlikle yerleri var, ancak araştırmacılar kendilerini yeni muhteşem hileler yapan sirk hayvanlarından daha fazla düşünmelidir. Her durumda, gururum paramparça olmak üzereydi. Laboratuarda doktora öğrencisi olan Dieter Baumgartner, gelişmiş bir mikroskopi tekniği olan holografik mikroskopi kullanarak tek bakteri kütlesini ölçmek için çalışıyordu. Ofisime geldi, sohbet etmeye başladık ve kütleyi doğrudan ölçmeyi önerdi. Biraz isteksizce kabul ettim, çünkü projenin artık düşük teknoloji olmayacağını biliyordum, ancak şimdi sonucun en güçlü kanıt olduğunu düşünüyorum: yüzme suşu ortalama 11 fg/gün değerinde karbon kaybederken, motiliteden vazgeçen suşun biyokütlesi neredeyse sabit kaldı.

Şekil: Açlıktan yüzmeyi durduran bir suşun tek hücreli biyokütle dağılımı (Vibrio Siklitrophicusturuncu) veya açlıktan yüzmeye devam eder (Vibrio Coralliilyticusmavi).

4. Hareketli bakteriler okyanustaki karbon akısına katkıda bulunur

Bakteriler deniz ve okyanuslarda karbon akışlarını kontrol etmede büyük bir rol oynadığından, bu hareketli davranışın okyanusta oldukça önemli olduğu ortaya çıkıyor. Fitoplankton gibi birincil üreticiler sürekli olarak Fix CO₂ Biyokütle, deniz gıda ağını besler. Bu biyokütle sonunda batmaya başlar ve deniz parçacıkları adı verilen enkazın dikey bir karbon akısı oluşturur. Okyanus iç kısmına ulaştığında, yüzlerce ila binlerce yıl boyunca saklanabilir, atmosferden etkili bir şekilde karbonu sekesti yapabilir ve okyanusa saklayabilir:

Bununla birlikte, batmaya başlayan karbonun sadece küçük bir kısmı okyanus tabanına ulaşır. Deniz bakterileri için, bu parçacıklar bozulabilecekleri ve böylece depolanan karbonu atmosfere geri bırakabilecekleri besin açısından zengin sıcak noktalar oluşturur ve etkili bir şekilde karbon depolama alanları olarak hareket eder. Bu parçacıklar seyreltildiğinden, bakterilerin onları bulması zordur ve bu nedenle bu süreci anlamak sadece bu tür parçacıklar üzerindeki yaşama biyolojik adaptasyonlara değil, aynı zamanda bu tür parçacıkları bulmada da zorluğa bağlıdır. Motilite, bu tür parçacıkların bulunmasını arttırmak için harika bir yoldur, ancak bu parçacıkların dışındaki besin konsantrasyonları o kadar düşüktür ki hareketli bakteri (sıcak noktaların dışında birçok bakteri vardır, ancak bu bakteriler parçacıkların dışındaki hayata uyarlanmıştır). Bu nedenle, bakterilerin hangi koşullar altında hareketli olduğunu ve çevrenin yüzmeye devam etmek için yeterli arka plan enerjisi sağlamasa bile parçacıkları aramaya devam edip etmediklerini anlamak önemlidir.

6. Laboratuar'ı Alana Bağlamak için Genomik Tahminleri Kullanma.

Bir laboratuvardan çevreye tahminleri genelleştirmenin bir yolu, bizim durumumuzda okyanus, genetik bir sınıflandırıcı yapmaktır. Biyoinformatik hakkında hiçbir fikrim yoktu, ama neyse ki bu konuda yardım etmek isteyen insanlar vardı. Zach Landry, iki grubu yaklaşık% 90 doğrulukla ayırabilecek bir dizi gen bulmak için makine öğrenimi sınıflandırıcılarını kullandı ve yaklaşık% 85 doğrulukla eğitim için kullanmadığımız suşların sonucunu tahmin edebildik. Kesinlikle bu sonucu kabul etmiyorum. Bunun işe yaramamasının birçok nedeni vardı!

Bir genomik sınıflandırıcı, laboratuvardaki sınırlı bir dizi gözleme dayanarak alanda tahminler yapmamızı sağlar. Çalışmamızda kullanılan bazı suşlar aynı alandan izole edildi, bu da bu stratejilerin aynı ortamlarda birlikte var olabileceğini gösteriyor. Ancak kesinlikle çevresel faktörler hangi stratejinin ne zaman ve nerede daha uygun olduğunu etkileyebilir. Sınıflandırıcı genel olarak, okyanusta limokinetik stratejinin egemen olduğunu tahmin ediyor. Bununla birlikte, lamostatik stratejinin egemen olduğu alanlar var gibi görünüyor. Bu tür tahminleri alanda test etmek için sabırsızlanıyoruz!

7. Sonuç

Mikrobiyal yaşamın göz korkutucu çeşitliliği ile, arkasındaki bazı basitliklere rastlamak sevindiricidir. Bu keşif harika bir yolculuktu ve tüm ortak yazarlarıma paha biçilmez katkıları için teşekkür ediyorum (uzunluk nedenleri nedeniyle burada vurgulayamadığım birçok önemli katkı vardı). Ayrıca bir poster veya seminer sunumunda soru soran insanlardan elde ettiğim tüm bilgiler için de minnettarım!

Dipnotlar

1) Bu örneği PW Anderson'ın seminal makalesinden “More Fark” dan ödünç alıyorum (Bilim1972).

2) İyi bir kaynak Biselli ve ark. MSB 2020. 0.61 mmol ATP/h/g olarak verilir, hücre başına 150 fg kuru ağırlık varsayıyorum. Açlıktan önce büyüme oranına bağlı olarak ~ 2 kat daha yüksek veya daha düşük olabilir.

3) Daha fazla sayı ve referans için “kemotaksinin ekolojik rolleri” incelememize bakın (Nat. Rev. Microb.2022)

Banner Resim için Resim Kredisi: Sophie Zweifel ve Pallavi Keshri, Eth Zürih