PNAS:微生物研究揭示了饥饿让细菌寿命延长

印第安纳大学教授杰伊·T·列侬 (Jay T. Lennon) 及其实验室对长期饥饿下的微生物种群进行的研究可以帮助研究人员回答与慢性感染、环境中细菌的功能以及生命本身的持久性有关的问题。

在美国国家科学院院刊 8 月 12 日在线发表的一篇论文中，列侬和他的同事解释了他们对封闭系统中大约 100 种不同细菌的研究，这些细菌无法获得外部食物 1000 天。 团队追踪了他们存活了多久，几乎所有的都坚持了下来。

“细菌如何在长时间的能量限制中存活的更大问题与了解人类和其他宿主的慢性感染有关，并且与某些病原体如何耐受抗生素等药物有关，”该大学生物系教授列侬说。 文理学院。

许多细菌感染难以治疗，部分原因在于药物通常旨在靶向代谢活跃细胞的细胞机制。 列侬说，能量受限的细菌通常会进入静止或休眠状态，这使它们对药物治疗不那么敏感。 在这种条件下，病原体不仅可以持续存在，而且种群还可以进化出抗生素耐药性，使问题变得更糟。

微生物在环境中也发挥着重要作用。 研究中的细菌来自农业土壤。 列侬说，在这些栖息地中，微生物与植物形成共生关系，它们执行对生态系统功能至关重要的过程，例如碳固存、养分循环和温室气体排放。

一个尚未解决的主要问题是，通常在恶劣的环境条件下，一克土壤中如何共存数十亿个微生物细胞和数千个微生物分类群。 该研究支持的一种解释是，微生物似乎非常适应盛宴或饥荒的条件，在这种情况下，资源可能会长期短缺。 这可能有助于解释复杂的微生物群落是如何随着时间的推移而维持的。

在这项研究中，列侬和他的同事们估计，作为地球上繁殖速度最快的生物，细菌的寿命也非常长。 列侬和他的团队，包括前印第安纳大学博士生威廉舒梅克，估计能量有限的细菌的寿命可以与植物和动物的寿命相媲美，在某些情况下甚至超过植物和动物的寿命。 该研究使用生存分析来估计某些种群的灭绝时间长达 100,000 年。

“显然，这些预测远远超出了可以测量的范围，”列侬说，“但这些数字与从古代材料中回收的活细菌的年龄一致，例如琥珀、岩盐晶体、永久冻土和底部沉积物 最深的海洋。”

在这种条件下微生物的持续存在可能涉及休眠和其他节能机制。 例如，Lennon 及其同事发现，细胞在封闭系统中的存活是靠细菌“清除”它们死去的亲戚的能力来维持的。

在这种贫瘠的条件下，细胞必须靠极少量的食物维持生计，列侬和他的团队对细菌进化的潜力感到好奇。 他们确定了处于负选择下的基因，但也确定了正选择的特征，这表明允许新突变频率增加的神秘生长。 这一发现表明，死细胞的回收有可能促进适应性进化。 鉴于地球上大片区域的能量有限，此类观察对于理解基本生物过程的限制是相关的。

这项工作得到了美国国家科学基金会、美国陆军研究办公室和美国国家航空航天局的资助。

William R. Shoemaker, Stuart E. Jones, Mario E. Muscarella, Megan G. Behringer, Brent K. Lehmkuhl, Jay T. Lennon. Microbial population dynamics and evolutionary outcomes under extreme energy limitation. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021; 118 (33): e2101691118 DOI: 10.1073/pnas.2101691118

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