生命的基本前提是活的有機體能夠適應不斷變化的環(huán)境條件。在一項新的研究中，來自德國慕尼黑工業(yè)大學和美國加州大學圣地亞哥分校的研究人員確定了細菌用來適應不同環(huán)境的調(diào)節(jié)機制是基于一個全局控制過程的，這個過程能夠用一個方程加以描述。相關研究結(jié)果發(fā)表在2017年11月2日的Nature期刊上，論文標題為“A global resource allocation strategy governs growth transition kinetics of Escherichia coli”。

　　圖片來自Schink and Gerland/TUM。

　　環(huán)境條件，比如溫度、光線、營養(yǎng)物的可獲得性和很多的其他參數(shù)，在地球上不斷地發(fā)生變化。每個有機體，甚至每個細胞都有無數(shù)的機制來適應這些變化。

　　最好研究的例子之一是大腸桿菌(Escherichia coli)，即一種也存在于人類腸道中的細菌。營養(yǎng)物質(zhì)的供應在不同的時間存在著變化。為了生存，這種細菌必須具備適應這些變化條件的能力。

　　1965年，Jacques Monod因證明細菌通過產(chǎn)生不同的蛋白來適應變化的環(huán)境條件而獲得諾貝爾獎。比如，當容易獲得的營養(yǎng)物含有乳糖時，它們就合成一種酶來降解乳糖。

　　但是，半個多世紀以來，盡管人們有很大的興趣和開展過大量的研究工作，但是這種復雜的調(diào)節(jié)機制的生化細節(jié)還沒有充分解釋和理解。

　　適應動力學

　　慕尼黑工業(yè)大學物理系教授Ulrich Gerland領導的研究團隊和加州大學圣地亞哥分校教授Terence Hwa領導的研究團隊將研究重點放在基礎的調(diào)節(jié)機制上，而不是這些反應鏈的分子細節(jié)上。他們考慮了一個問題：細菌如何能夠快速地適應它們的環(huán)境變化?

　　在實驗室里，他們研究了細菌的生長：首先僅給它們提供有限的營養(yǎng)物，然后給他們提供足夠的營養(yǎng)物，反之亦然。由于存在這種適應過程，在這些變化發(fā)生后，細菌的生長速度有所延遲。

　　當他們先給他們的細菌提供一種營養(yǎng)物，隨后提供其他的其他營養(yǎng)物時，細菌的生長暫時放緩時，即便總是有足夠的營養(yǎng)物供應。他們給出的解釋是細菌首先必須適應它們生存的消化系統(tǒng)。為此，這些細菌相應地調(diào)整某些酶的濃度，而且合成這些酶也需要時間。

　　穩(wěn)態(tài)模型

　　這些研究人員開發(fā)出一種模型來更好地理解這些適應機制。這種模型以一種自上而下的方式僅使用關于這種調(diào)節(jié)機制的生化細節(jié)的定性信息。它評估細胞中的物質(zhì)流動，并建立代表物質(zhì)運輸?shù)姆匠淌?。通過研究物質(zhì)平衡，他們成功地將各種調(diào)節(jié)機制匯總到一個全局微分方程中。

　　在總結(jié)這項研究的結(jié)果時，Ulrich Gerland說，“我們的調(diào)節(jié)機制穩(wěn)態(tài)模型正確地描述了適應營養(yǎng)物變化以及可用營養(yǎng)物的增加、減少和變化的時間過程，而且在沒有可調(diào)節(jié)的參數(shù)的情形下定量地進行描述?！?/p>

　　Ulrich Gerland說，“明顯的是，生長適應的動力學不依賴于單個生化反應的微觀細節(jié)，而是依賴于用于蛋白合成的資源全局重新分配戰(zhàn)略。因此，可以想象的是，我們的理論模型個可能適用于一系列類似的動力學過程?！?/p>