超越普通细胞了解细菌生长复制和分裂的更新框架

但很长一段时间以来，科学家们发现将细菌细胞视为“平均”是很方便的。传统上，研究人员依靠种群水平的策略来了解细菌生理学的基本方面。这些种群水平的方法描述了理想化平均细胞的行为，它们是细菌生长的主流模型的基础。

基于平均细胞的模型很有用，但它们可能无法准确描述单个细胞的实际工作方式。单细胞活体成像技术的出现开辟了新的可能性。现在可以窥探单个细胞的生命。在PLOSGenetics发表的一篇新论文中，来自圣路易斯华盛顿大学和普渡大学的一组生物学家和物理学家使用实际的单细胞数据创建了一个更新的框架，用于理解细胞生长、DNA复制和分裂之间的关系。细菌系统。

PetraLevin是华盛顿大学艺术与科学学院的GeorgeWilliam和IreneKoechigFreiberg生物学教授，也是这篇新论文的作者，她对单细胞生物学有着浓厚的兴趣。在她的研究工作中，莱文对我们对细菌细胞生长的理解做出了开创性的贡献。

在阿斯彭物理中心的一次偶然相遇促成了与SrividyaIyer-Biswas的合作，SrividyaIyer-Biswas是普渡大学的物理学家，在基于第一性原理的物理理论和高精度单细胞实验方面具有专业知识。

利用大流行初期带来的Zoom时代，Levin和Iyer-Biswas开展了他们的虚拟合作，以重新审视一些“细菌细胞周期的美丽、经典模型”，正如Levin所描述的那样。

他们发现缺少令人兴奋的部分。

问题是什么?这些模型依赖于群体中“平均”细胞的行为。但是使用平均值来推断实际细胞的行为可能会产生误导。

“想象一下，每一种细菌都在按照自己的节奏唱着自己异想天开的曲子，”Iyer-Biswas说。“集体——由数百万个细胞组成的群体——有自己的音乐，没有一个声音特别突出，但一首歌还是出现了。仅仅听到集体的演绎，一个人怎么可能发现一个人的歌到底是什么?这就是我们面临的问题。”

“对普通细胞来说是正确的不一定对单个细胞也是正确的。细菌在这方面就像我们一样，”莱文补充道。

对于这篇新论文，Levin和Iyer-Biswas与最近搬到美国国立卫生研究院(NIH)的Levin实验室的博士后科学家SaraSanders和博士KunaalJoshi合作。Iyer-Biswas实验室的学生，解决一个基本问题。

他们想弄清楚这些“异想天开”的单个细菌细胞——或者更典型的物理学家可能会说，这些随机细胞——如何巧妙地协调DNA复制与生长和分裂，从而使整个事件以正确的顺序发生，尽管每个过程的“噪音”。

为了回答这个问题，作者仔细研究了来自加州大学圣地亚哥分校Jun实验室收集的模式生物大肠杆菌的单细胞生长数据。然后他们构建了一个最小的数学模型，该模型捕获单个细胞的复杂、随机行为并准确匹配单个细胞数据。

基于平均细胞行为，其他人开始将DNA复制和细胞分裂的基本细胞周期步骤视为相互依赖。但莱文和桑德斯并不这么看。

“数十年的遗传和分子研究表明，尽管DNA复制和分裂明显协调，但它们并不相互依赖，”Levin说。“只要有机制防止未复制的染色体分裂，或者在不太可能发生的事件中修复这种情况，一切都很好。大肠杆菌不像真核细胞那样有细胞周期检查点。”

与此同时，Iyer-Biswas和Joshi意识到有一种简单的方法可以理解单个细胞的数据。每个细胞都有三个独立的(随机的)计时器(相当于上面的异想天开的曲调)，它们在每次DNA复制开始时开始滴答作响，其编排决定了细胞周期事件的顺序。

从这个简单的想法出发，乔希发现他可以预测DNA复制启动、DNA复制结束和分裂的顺序，这基于三个计时器独立关闭和重置的时间。他的预测与许多不同生长条件下单个细胞DNA复制和细胞分裂的现存数据完全吻合。

通过描述DNA复制和细胞分裂之间的随机而非确定性关系，作者改变了科学家对细胞生物学基本过程的理解方式。

“我们的最终目标是围绕生物学中的高精度方法建立一个社区，将理论和实验无缝结合起来，”Iyer-Biswas说。“一个更直接的目标是超越系统特定的细节，并提供一个也适用于其他细菌物种的统一框架。”