PNAS:视频捕获技术揭示一个令人震惊的细胞增长真相

一个世纪以来，生物学家一直认为他们了解，细胞内的果糖增多导致细胞壁的生长。

现在，使用新的显微视频技术，斯坦福大学的研究人员已经捕获了视觉证据，证明当时的观点错了。

“我们观察到的并不是我们预想的，” 生物工程副教授黄国祯博士说，结果已发表于5月12日的美国国家科学院杂志上。

文章标题，描述了一个称为“渗透压冲击”，由斯坦福大学医学院微生物学和免疫学和生物化学教授朱莉塞里奥特博士共同撰写。

研究人员认为，关于细胞壁的弹性生长的发现有助于解释为什么看似脆弱的细菌，如大肠杆菌可以在水坑和胃这样的环境中茁壮成长。文章主要作者、生物工程博士后学者恩里克·罗哈斯博士，现在在孟加拉国尝试应用这些知识来帮助对抗霍乱。

没有参与这项研究、加州大学圣地亚哥分校分子生物学副教授Gurol Suel博士，将这一发现称为“一种模式的转变”。

“仅仅因为一个假设已经存在了几十年并不一定意味着它是正确的，”Suel补充说，内部压力和细胞生长之间的关系已经从不太复杂的实验中出现，而斯坦福大学研究小组利用现代技术，“为细菌细胞生长的理解提供一种新的分子”。

生活压力下

细胞是一切生命的基本结构单元。它们在400多年前显微镜发明后首次观测到。在科学上研究最多的一个细胞是大肠杆菌，引起食物中毒的一种杆状细菌。

事实上，细胞就像香肠一样，由外面的包膜充满着一种内在质量组成。几十年来，生物学家们认为，这种内在质量的增长，给外膜增加压力，导致细胞壁生长。

但是，使用新技术来隔离和可视化细胞在不同的环境中，斯坦福大学的团队证明，无论是来自细胞内部或外部的压力都能够导致细胞壁的生长。

与一个香肠的关键不同点是，一个细胞的外面包膜是活的，动态的和多孔的。它的目的是让水渗入或出去。这很重要，因为细胞生活在体液中，因而受到渗透的压力。

在液体中，渗透与固体材料的溶解量有关。例如，搅拌糖加入咖啡中，可增加其渗透压。你搅拌越多的糖，溶液中的渗透压就越高。

生命基于水，所以细胞有一个内部的渗透压。当一个细胞进入具有较高的渗透压的溶液中时——如含糖液体——其多孔膜试图通过让水流出来，以保护细胞。这将导致细胞膜萎缩，压实细胞承受压力。把相同的细胞返回到正常的溶液中，多孔细胞壁允许水渗入，使细胞膨胀到其原来的尺寸。

生物学家一直假定这同样的压力动态延缓细胞壁的生长。这是一个有意义的普遍观点——如果细胞壁的确通过细胞内的扩展，以及外部压力迫使细胞收缩，而促进生长，那么细胞外壁怎么可以持续生长?

事实上，斯坦福小组最初设计的实验是用来精确测量延缓大肠杆菌的细胞壁生长需要多少渗透压。

他们用微流体装置在一个小室中捕获细菌细胞。这是让它们仅沐浴在密闭的细胞中，首先在高度浓缩的糖(高渗透压)，然后在正常的溶液中，(低渗透压)，同时记录细胞收缩或扩张的精确图像。

最初，结果似乎证实了当时的观点：沐浴在糖溶液中的细胞出现了增长相对较慢的情况。

但每当研究人员通过观察冲洗出来的糖和沐浴在正常溶液中的细胞时，他们发现了一个令人震惊的事情，细胞在迅速扩大——几秒钟内——相当于正常溶液中的细胞大小全速增长。他们捕获了这个扩展视频。

“该细胞似乎并不关心，它们一直遭受到频繁的和大型(渗透)的抑制，“黄说。

斯坦福大学的研究人员认识到，细胞壁在糖溶液和在正常溶液中保持着一样的增长速度——但是额外的质量会使它萎缩的像一颗葡萄干。当细胞重新进入正常溶液时，水通过多孔膜渗入，现在肿胀的细胞平滑的如葡萄一样，以及所有的非明显的增长变得可见。

为了跟进这个惊人的发现，罗哈斯在孟加拉国，扩大调查，以研究如霍乱弧菌的细菌病原体在液体中是如何快速变化的，以及如何利用这些知识来打击这一祸害。

原文摘要：

Response of Escherichia coli growth rate to osmotic shock

Enrique Rojas, Julie A. Theriot and Kerwyn Casey Huang

It has long been proposed that turgor pressure plays an essential role during bacterial growth by driving mechanical expansion of the cell wall. This hypothesis is based on analogy to plant cells, for which this mechanism has been established, and on experiments in which the growth rate of bacterial cultures was observed to decrease as the osmolarity of the growth medium was increased. To distinguish the effect of turgor pressure from pressure-independent effects that osmolarity might have on cell growth, we monitored the elongation of single Escherichia coli cells while rapidly changing the osmolarity of their media. By plasmolyzing cells, we found that cell-wall elastic strain did not scale with growth rate, suggesting that pressure does not drive cell-wall expansion. Furthermore, in response to hyper- and hypoosmotic shock, E. coli cells resumed their preshock growth rate and relaxed to their steady-state rate after several minutes, demonstrating that osmolarity modulates growth rate slowly, independently of pressure. Oscillatory hyperosmotic shock revealed that although plasmolysis slowed cell elongation, the cells nevertheless “stored” growth such that once turgor was reestablished the cells elongated to the length that they would have attained had they never been plasmolyzed. Finally, MreB dynamics were unaffected by osmotic shock. These results reveal the simple nature of E. coli cell-wall expansion: that the rate of expansion is determined by the rate of peptidoglycan insertion and insertion is not directly dependent on turgor pressure, but that pressure does play a basic role whereby it enables full extension of recently inserted peptidoglycan.

作者：生物帮