” Qual é o tamanho de uma célula de E. coli e qual é a sua massa?

Quão grande é uma célula de E. coli e qual é a sua massa?

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Tabela 1: Relação entre a massa bacteriana e o tempo de divisão. A massa seca por célula é dada em função do tempo de geração (duplicação). A massa é sugerida para aumentar aproximadamente exponencialmente com a taxa de crescimento, como observado originalmente por M. Schaechter et al J. Gen. Microbiol., 19:592, 1958. O peso seco da célula foi calculado usando um valor de 173 µg por OD460 unidade de um mL (BNID 106437). A estirpe usada é B/r, uma estirpe comumente usada em estudos de fisiologia bacteriana precoce. Valores retirados de F. C. Neidhardt, “Escherichia coli e Salmonella”: Cellular and Molecular Biology”, Vol. 1., Capítulo 3, ASM Press, 1996.

O tamanho de uma bactéria típica como a E. coli serve como uma régua padrão conveniente para caracterizar escalas de comprimento em biologia molecular e celular. Uma “regra de ouro” baseada em gerações de medidas de luz e microscopia eletrônica para as dimensões de uma célula de E. coli é atribuir-lhe um diâmetro de cerca de ≈1µm, um comprimento de ≈2µm e um volume de ≈1µm3 (1 fL) (BNID 101788). A forma pode ser aproximada como um esferocilindro, ou seja, um cilindro com tampas hemisféricas. Dado o diâmetro e comprimento citados, podemos calcular uma estimativa mais refinada para o volume de ≈1.3 µm3 (5π/12 para ser mais preciso). A diferença entre este valor e a regra do valor do polegar citado acima mostra o nível de inconsistência com que vivemos confortavelmente quando usamos regras de polegar. Uma das rotas mais simples para uma estimativa da massa de uma bactéria é explorar o volume de ≈1 µm3 de uma célula de E. coli e assumir que ela tem a mesma densidade que a água. Esta estimativa ingénua resulta noutro valor padrão, nomeadamente, que uma bactéria como a E. coli tem uma massa de ≈1 pg (pico=10-12). Como a maioria das células são cerca de 2/3 de água (BNID 100044, 105482) e os outros componentes, como as proteínas, têm uma densidade característica de cerca de 1,3 vezes a densidade da água (BNID 101502, 104272) a conversão do volume celular em massa é precisa para cerca de 10%.

Fig. 1: Relação entre o volume celular e a taxa de crescimento. Usando microscopia e dispositivos microfluídicos o volume celular pode ser medido no nível de célula única sob várias condições, confirmando que o volume celular médio cresce exponencialmente com a taxa de crescimento. Em contraste, a variação entre as células para uma determinada condição varia de acordo com a escala. A variação no comportamento de uma única célula é usada para testar modelos de regulação do tamanho celular. (Adaptado de S. Taheri-Araghi et al., Curr. Biol. 25:385, 2015.)

Um dos resultados clássicos da fisiologia bacteriana enfatiza que a plasticidade nas propriedades das células deriva da dependência da massa celular em relação à taxa de crescimento. De forma simples, as taxas de crescimento mais rápidas estão associadas a células maiores. Esta observação refere-se a mudanças fisiológicas onde os meios que aumentam a taxa de crescimento também produzem células maiores, como mostrado na Figura 1. Isto também foi considerado verdadeiro geneticamente onde estudos de evolução experimental de longo prazo que levaram a taxas de crescimento mais rápidas mostraram volumes celulares maiores (BNID 110462). Tais observações ajudam-nos a dissipar o mito da “célula” – onde as pessoas, muitas vezes sem o devido cuidado, usam medições sobre uma célula para fazer inferências sobre outros tipos de células ou sobre o mesmo tipo de célula em condições diferentes. Estudos clássicos de Dennis e Bremer sistematizaram essas medições e descobriram que a massa seca varia como mostra a Tabela 1 de um valor médio de 148 fg para células divididas a cada 100 minutos até 865 fg para aquelas com tempo de divisão de 24 minutos, indicando uma diferença superior a 5 vezes, dependendo da taxa de crescimento. Uma tendência similar tem sido observada em outros organismos (por exemplo, para levedura de brotação, BNID 105103). A cerca de 70% de água estes valores correspondem a um intervalo entre cerca de 0,4 a 2,5 µm3 em termos de volume. Como podemos racionalizar os tamanhos maiores para as células que crescem a taxas mais rápidas? Esta questão está em debate até hoje (Molenaar D. et al. MSB 5:323, 2009; Amir, A., Phys. Rev., Let., 112:208102, 2014). As explicações variam de sugerir que tem uma vantagem na forma como a alocação de recursos é feita a afirmar que na verdade é apenas um efeito colateral de ter um período construído em cerca de 60 minutos a partir do momento em que uma célula decide que acumulou massa suficiente para começar os preparativos para a divisão e até que termine a replicação do DNA e o ato da divisão. Este período aproximadamente constante de “atraso” leva a uma dependência exponencial da massa celular média em relação à taxa de crescimento nesta linha de raciocínio (Amir, A., Phys. Rev, Let, 112:208102, 2014).

Métodos para medir a faixa de volume celular desde o uso de um Contador Coulter ((BNID 100004), que infere o volume com base nas mudanças de resistência de um pequeno orifício quando uma célula passa nele, até medições mais diretas usando microscopia de fluorescência que mede o comprimento e diâmetro das células sob diferentes condições (Figura 1 e BNID 106577, 111480). Surpreendentemente, o facto de laboratórios diferentes nem sempre convergirem para os mesmos valores pode ser devido a diferenças nos métodos de calibração ou às tensões e condições exactas de crescimento. Uma capacidade sem precedentes de medir a massa celular é alcançada através da pesagem eficaz das células em um cantilever microscópico. Como ilustrado na Figura 2A, o fluxo de fluido é usado para forçar uma célula para frente e para trás no cantiléver oco para fora. A medição explora o fato de que a massa celular afeta a freqüência de oscilação do cantiléver. Esta frequência pode ser medida com uma precisão fenomenal e usada para inferir massas com precisão de femtograma. Ao alterar a direção do fluxo de líquido, a célula fica presa por minutos ou mais e sua taxa de acumulação de massa é medida continuamente no nível de célula única. Na aplicação inicial desta técnica foi mostrado que as células únicas que são maiores também acumulam massa mais rapidamente, lançando luz sobre uma questão de longa data: o crescimento celular é linear com o tempo ou mais apropriadamente descrito por uma tendência aproximadamente exponencial? As diferenças podem ser ínfimas, mas com estas capacidades revolucionárias foi claramente visto que este último cenário representa melhor a situação em vários tipos de células testadas como mostrado na Figura 2B.

Fig. 2: Usando massa flutuante para medir o crescimento de células simples. (A) Um cantilever em escala micron oscila em alta freqüência e a massa das células pode ser determinada a partir de mudanças na freqüência de oscilação. (B) Medido ao longo do tempo, isto resulta em uma curva de acumulação de massa de célula única, como mostrado. (C) Aqui são mostradas as células B. subtilis. Uma comparação entre as previsões dos modelos de crescimento linear e exponencial é mostrada como a melhor opção. A semelhança demonstra quão próximos os dois modelos estão de um intervalo de apenas duas vezes maior ao longo do ciclo da célula. O peso seco da célula é cerca de 4 vezes a massa flutuante. (Adaptado de M. Godin et al., Nature Meth. 7:387, 2010.)