” Cât de mare este o celulă E. coli și care este masa ei?

Cât de mare este o celulă E. coli și care este masa ei?

Mod de citire

Tabel 1: Relația dintre masa bacteriană și timpul de diviziune. Masa uscată pe celulă este dată în funcție de timpul de generare (dublare). Se sugerează că masa crește în mod aproximativ exponențial cu rata de creștere, așa cum a fost observat inițial de M. Schaechter et al J. Gen. Microbiol. 19:592, 1958. Greutatea uscată a celulelor a fost calculată folosind o valoare de 173 µg per unitate OD460 de un ml (BNID 106437). Tulpina utilizată este B/r, o tulpină utilizată în mod obișnuit în primele studii de fiziologie bacteriană. Valori preluate din F. C. Neidhardt, „Escherichia coli and Salmonella: Cellular and Molecular Biology”, Vol. 1., Capitolul 3, ASM Press, 1996.

Dimensiunea unei bacterii tipice, cum ar fi E. coli, servește ca o riglă standard convenabilă pentru caracterizarea scărilor de lungime în biologia moleculară și celulară. O „regulă empirică” bazată pe generații de măsurători de microscopie luminoasă și electronică pentru dimensiunile unei celule de E. coli este aceea de a-i atribui un diametru de aproximativ ≈1µm, o lungime de ≈2µm și un volum de ≈1µm3 (1 fL) (BNID 101788). Forma poate fi aproximată ca un sferocilindru, adică un cilindru cu capace semisferice. Având în vedere diametrul și lungimea menționate, putem calcula o estimare mai rafinată a volumului de ≈1,3 µm3 (5π/12 pentru a fi exacți). Diferența dintre această valoare și valoarea de regulă empirică citată mai sus arată nivelul de inconsecvență cu care trăim confortabil atunci când folosim reguli empirice. Una dintre cele mai simple căi pentru o estimare a masei unei bacterii este exploatarea volumului de ≈1 µm3 al unei celule de E. coli și presupunerea că aceasta are aceeași densitate ca și apa. Această estimare naivă are ca rezultat o altă valoare standard, și anume că o bacterie precum E. coli are o masă de ≈1 pg (pico=10-12). Deoarece majoritatea celulelor sunt formate din aproximativ 2/3 apă (BNID 100044, 105482), iar celelalte componente, cum ar fi proteinele, au o densitate caracteristică de aproximativ 1,3 ori mai mare decât densitatea apei (BNID 101502, 104272), conversia de la volumul celular la masă are o precizie de aproximativ 10%.

Fig. 1: Relația dintre volumul celular și rata de creștere. Cu ajutorul microscopiei și al dispozitivelor microfluidice, volumul celular poate fi măsurat la nivel de celulă unică în diferite condiții, confirmând că volumul celular mediu crește exponențial odată cu rata de creștere. În schimb, variația dintre celule, pentru o anumită condiție, se scalează diferit. Variația în comportamentul unei singure celule este utilizată pentru a testa modelele de reglare a dimensiunii celulelor. (Adaptat din S. Taheri-Araghi et al., Curr. Biol. 25:385, 2015.)

Unul dintre rezultatele clasice ale fiziologiei bacteriene subliniază faptul că plasticitatea proprietăților celulelor derivă din dependența masei celulare de rata de creștere. Spus simplu, ratele de creștere mai rapide sunt asociate cu celule mai mari. Această observație se referă la schimbările fiziologice în care mediile care cresc rata de creștere produc, de asemenea, celule mai mari, după cum se arată în figura 1. De asemenea, s-a constatat că acest lucru este valabil și din punct de vedere genetic, unde studiile de evoluție experimentală pe termen lung care au condus la rate de creștere mai rapide au arătat volume mai mari de celule (BNID 110462). Astfel de observații ne ajută să risipim mitul „celulei” – în care oamenii, adesea fără să vrea, folosesc măsurători despre o celulă pentru a face deducții despre alte tipuri de celule sau despre același tip de celule în condiții diferite. Studiile clasice ale lui Dennis și Bremer au sistematizat aceste măsurători și au constatat că masa uscată variază, așa cum se arată în tabelul 1, de la o valoare medie de 148 fg pentru celulele care se divid la fiecare 100 de minute la 865 fg pentru cele cu un timp de diviziune de 24 de minute, ceea ce indică o diferență de peste 5 ori mai mare în funcție de rata de creștere. O tendință similară a fost observată la alte organisme (de exemplu, pentru drojdia înmugurită, BNID 105103). La aproximativ 70% apă, aceste valori corespund unui interval cuprins între aproximativ 0,4 și 2,5 µm3 în termeni de volum. Cum putem raționaliza dimensiunile mai mari pentru celulele care cresc la viteze mai mari? Această întrebare este în dezbatere până în prezent (Molenaar D. et al. MSB 5:323, 2009; Amir, A., Phys. Rev, Let., 112:208102, 2014). Explicațiile variază de la a sugera că are un avantaj în modul în care se face alocarea resurselor până la a susține că este, de fapt, doar un efect secundar al faptului că are o perioadă construită de aproximativ 60 de minute din momentul în care o celulă decide că a acumulat suficientă masă pentru a începe pregătirile pentru diviziune și până când termină replicarea ADN-ului și actul de diviziune. Această perioadă de „întârziere” aproximativ constantă duce la o dependență exponențială a masei medii a celulei de rata de creștere în această linie de raționament (Amir, A., Phys. Rev, Let, 112:208102, 2014).

Metodele de măsurare a volumului celular variază de la utilizarea unui contor Coulter ((BNID 100004), care deduce volumul pe baza modificărilor rezistenței unui mic orificiu pe măsură ce o celulă trece prin el, până la măsurători mai directe cu ajutorul microscopiei cu fluorescență care măsoară lungimile și diametrele celulelor în diferite condiții (Figura 1 și BNID 106577, 111480). În mod surprinzător, faptul că diferite laboratoare nu converg întotdeauna asupra acelorași valori se poate datora diferențelor dintre metodele de calibrare sau dintre tulpinile exacte și condițiile de creștere. O capacitate fără precedent de măsurare a masei celulare este obținută prin cântărirea efectivă a celulelor pe un cantilever microscopic. După cum este ilustrat în figura 2A, fluxul de fluid este utilizat pentru a forța o celulă înainte și înapoi în cantileverul golit. Măsurarea exploatează faptul că masa celulei afectează frecvența de oscilație a cantileverului. Această frecvență poate fi măsurată cu o precizie fenomenală și poate fi utilizată pentru a deduce masele cu o precizie de femtogramă. Prin schimbarea direcției de curgere a lichidului, celula este prinsă în capcană timp de câteva minute sau mai mult, iar rata de acumulare a masei sale este măsurată continuu la nivelul unei singure celule. În cadrul aplicației inițiale a acestei tehnici s-a demonstrat că celulele unice care sunt mai mari acumulează, de asemenea, masa mai repede, aruncând lumină asupra unei întrebări de lungă durată: este creșterea celulară liniară în timp sau este mai bine descrisă de o tendință aproximativ exponențială? Diferențele pot fi infime, dar cu aceste capacități revoluționare s-a văzut clar că ultimul scenariu reprezintă mai bine situația în mai multe tipuri de celule testate, așa cum se arată în figura 2B.

Fig. 2: Utilizarea masei flotabile pentru a măsura creșterea celulelor unice. (A) Un cantilever la scară de ordinul micronilor oscilează la o frecvență ridicată și masa celulelor poate fi determinată din modificările frecvenței de oscilație. (B) Măsurată în timp, rezultă o curbă de acumulare a masei unei singure celule, după cum se arată. (C) Aici sunt reprezentate celule B. subtilis. O comparație între predicțiile modelelor de creștere liniară și exponențială este prezentată ca fiind cea mai bună potrivire. Asemănarea demonstrează cât de apropiate sunt cele două modele pe un interval de creștere de numai două ori pe parcursul ciclului celular. Greutatea uscată a celulelor este de aproximativ 4 ori mai mare decât masa flotantă. (Adaptat după M. Godin et al., Nature Meth. 7:387, 2010.)