Un equipo de investigadores de todo el campus de la Universidad de Princeton colaboró para determinar cómo E. coli las bacterias responden cuando se les priva de tres nutrientes clave: carbono, nitrógeno y fósforo.
Se sorprendieron al descubrir que las bacterias tenían diferentes estrategias para lidiar con cada una de las restricciones de nutrientes. Aún más sorprendente, cuando el carbono era limitado E. coli respondió construyendo su infraestructura de producción de proteínas, esencialmente preparándose para un día en que el carbono volvería a ser abundante.
" E. coli tiene ese optimismo esencial: espera tener acceso a más carbono en el futuro ", dijo Zemer Gitai, profesor de biología Edwin Grant Conklin y autor principal de un artículo publicado en línea el 23 de julio de Microbiología de la naturaleza . Los siete coautores son científicos de Princeton, de seis departamentos.
Puede ayudar pensar en la célula como una fábrica de juguetes llena de líneas de montaje individuales ribosomas que producen juguetes proteínas, dijo Gitai. El carbono y el nitrógeno son componentes clave de los juguetes, y el fósforo es vital para las líneas de montaje.
"Cuando los recursos escasean, la célula tiene que tomar una decisión", dijo Gitai. "¿Cuál es el uso correcto de los materiales, de sus recursos disponibles?'"
Los "juguetes", las proteínas, son los bloques de construcción fundamentales que permiten que las células crezcan, se dividan o aumenten su masa. Cuanto más rápido una célula produce proteínas, más rápido crece. Los científicos han sabido durante décadas que existe unarelación entre el número de ribosomas líneas de montaje y la tasa de producción de proteínas juguetes en E. coli . Esto ha llevado a la teoría ampliamente aceptada de que cada una de estas líneas de montaje está "optimizada", operando constantemente a su máxima eficiencia para producir proteínas lo más rápido posible.
"Sorprendentemente, el estudio actual cambia radicalmente esta perspectiva", dijo Ned Wingreen, profesor anterior de Howard A. en Ciencias de la vida y profesor de biología molecular y del Instituto Lewis-Sigler de Genómica Integrativa LSI, quien también fue unautor correspondiente en el artículo.
El equipo de investigación descubrió que cuando limitaban el acceso al carbono y al nitrógeno, ingredientes clave de los juguetes, las células crecían lenta pero constantemente, al mismo tiempo que producían más y más líneas de montaje que permanecían inactivas.
"Bajo una limitación extrema de carbono, aproximadamente la mitad de los ribosomas, la mitad de las líneas de ensamblaje, ni siquiera funcionan", dijo Gitai. "Eso parece contradictorio, ¿verdad? Parece un desperdicio. ¿Por qué construir su fábrica para tener el doble delíneas de montaje que necesita, y luego no ejecutar la mitad de sus líneas de montaje? Postulamos que eso podría ser bueno para aumentar la producción cuando los tiempos cambien, y efectivamente, eso es lo que vimos ".
Estas bacterias viven en entornos de festín o hambruna como el intestino humano, donde un largo período de hambre puede terminar con la llegada repentina de una hamburguesa con queso. "Cuando entran todos estos nuevos nutrientes, tienes la capacidad de producir más rápido".Gitai dijo: "Ya hiciste todas esas líneas de montaje, están listas y ahora pueden despegar, ahora puedes vencer a tus competidores, porque no tienes que invertir en toda esta infraestructura,estas nuevas líneas de montaje. Las ha configurado. "
Esto tiene implicaciones interesantes para E. coli estrategias de competencia, dijo la estudiante de posgrado Hsin-Jung Sophia Li, quien es la primera autora del artículo. "Quizás el objetivo de la bacteria no sea maximizar el crecimiento actual", dijo. "Quizás se estén preparando paramejores tiempos, más progresistas ".
"En general, este trabajo brinda una nueva perspectiva sobre las bacterias y potencialmente otros organismos, lo que sugiere que evolucionaron no solo para lidiar con las condiciones actuales sino también para la vida en un mundo cambiante", dijo Wingreen.
"Ha sido un viaje emocionante", dijo Junyoung Park, un Ph.D. graduado de 2016 en ingeniería química y biológica que ahora es profesor de ingeniería química y biomolecular en la Universidad de California-Los Ángeles. "Comenzamos conuna simple observación proporciones de ARN-proteína de nutrientes específicos, pero terminó con conocimientos fascinantes sobre las estrategias de competencia de la célula ".
E. coli utiliza diferentes estrategias cuando los diferentes nutrientes son limitados, encontraron los investigadores. "Las células limitadas en carbono generan una gran cantidad de líneas de ensamblaje inactivas", dijo Li. "Las células limitadas en nitrógeno producen productos más lentamente. Pero las células limitadas en fósforo ...- esta fue la parte emocionante - use solo la mitad de las líneas de ensamblaje para generar la misma cantidad de juguetes ".
Las líneas de ensamblaje de ribosomas dependen del ARN, que es rico en fósforo, por lo que al limitar su disponibilidad, los investigadores esencialmente hicieron que los ingredientes de los juguetes fueran baratos pero las líneas de ensamblaje muy caras.
"La primera sorpresa fue que aquí hay una historia específica de nutrientes, que logramos la misma tasa de crecimiento de tres maneras diferentes", dijo Gitai. "Pero la verdadera sorpresa fue el fósforo. Descubrimos que si hacemos las líneas de ensamblaje máscaro, de repente las mismas líneas de montaje pueden bombear juguetes al mismo ritmo, utilizando la mitad de las líneas de montaje. Eso nos dice que en las condiciones de limitación de carbono y nitrógeno, esas líneas de montaje en realidad no funcionaban tan rápido como podrían. "
Esto anuló el modelo de larga data del ribosoma optimizado y llevó a los investigadores a investigar los mecanismos que actúan en los ribosomas, utilizando una combinación de experimentos cuantitativos, dirigidos por Li, respaldados por el trabajo de modelado y teoría de Wingreen y Zhiyuan Li., investigador asociado en el Princeton Center for Theoretical Science. También colaboraron con Christopher King, quien se graduó en 2017 con una concentración en física, y Joshua Rabinowitz, profesor de química y LSI.
Convertir las enormes cantidades de datos biológicos en una teoría clara ilustra el "encanto" de la ciencia de datos, dijo Zhiyuan Li, de procesar las medidas en "perlas individuales, y luego ensartarlas juntas en un hermoso collar mediante modelos matemáticos que revelan elconexiones subyacentes. "
"Este artículo es una gran contribución a la comunidad", dijo Ron Milo, investigador principal del Departamento de Ciencias Vegetales y Ambientales del Instituto de Ciencia Weizmann, que no participó en esta investigación. "Nos brinda una mejor comprensión decómo las células toman decisiones con respecto a su asignación de recursos, que pueden ser relevantes para la producción biotecnológica de productos químicos con valor agregado ".
La investigación también plantea una nueva pregunta, dijo Gitai: "¿Muchas especies bacterianas usan esta estrategia? Podrían imaginarse que en una comunidad de bacterias, hay algunas especies que son optimistas, algunas que son pesimistas ... Es amablede una idea atractiva que es este 'optimismo eterno' de E. coli que le permite intercambiar, si lo desea, entre el beneficio inmediato y el largo plazo. Cuando los tiempos sean malos, dirá: 'Está bien, no me voy a preocupar por hacerlo tan bien como pueda.ahora, pero me prepararé para cuando los tiempos mejoren '".
Una de las mayores sorpresas de la investigación fue que una bacteria tan bien estudiada todavía tiene trucos bajo la manga microscópica, dijo Sophia Li. "Incluso E. coli , posiblemente el organismo mejor entendido, todavía puede brindarnos nuevas sorpresas y una biología interesante que aprender ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton . Original escrito por Liz Fuller-Wright, Oficina de Comunicaciones de la Universidad de Princeton. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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