一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，生物學(xué)家一直認(rèn)為他們了解，細(xì)胞內(nèi)的果糖增多導(dǎo)致細(xì)胞壁的生長(zhǎng)。

　　現(xiàn)在，使用新的顯微視頻技術(shù)，斯坦福大學(xué)的研究人員已經(jīng)捕獲了視覺證據(jù)，證明當(dāng)時(shí)的觀點(diǎn)錯(cuò)了。

　　“我們觀察到的并不是我們預(yù)想的，” 生物工程副教授黃國(guó)禎博士說(shuō)，結(jié)果已發(fā)表于5月12日的美國(guó)國(guó)家科學(xué)院雜志上。

　　文章標(biāo)題，描述了一個(gè)稱為“滲透壓沖擊”，由斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院微生物學(xué)和免疫學(xué)和生物化學(xué)教授朱莉塞里奧特博士共同撰寫。

　　研究人員認(rèn)為，關(guān)于細(xì)胞壁的彈性生長(zhǎng)的發(fā)現(xiàn)有助于解釋為什么看似脆弱的細(xì)菌，如大腸桿菌可以在水坑和胃這樣的環(huán)境中茁壯成長(zhǎng)。文章主要作者、生物工程博士后學(xué)者恩里克·羅哈斯博士，現(xiàn)在在孟加拉國(guó)嘗試應(yīng)用這些知識(shí)來(lái)幫助對(duì)抗霍亂。

　　沒有參與這項(xiàng)研究、加州大學(xué)圣地亞哥分校分子生物學(xué)副教授Gurol Suel博士，將這一發(fā)現(xiàn)稱為“一種模式的轉(zhuǎn)變”。

　　“僅僅因?yàn)橐粋€(gè)假設(shè)已經(jīng)存在了幾十年并不一定意味著它是正確的，”Suel補(bǔ)充說(shuō)，內(nèi)部壓力和細(xì)胞生長(zhǎng)之間的關(guān)系已經(jīng)從不太復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)，而斯坦福大學(xué)研究小組利用現(xiàn)代技術(shù)，“為細(xì)菌細(xì)胞生長(zhǎng)的理解提供一種新的分子”。

　　生活壓力下

　　細(xì)胞是一切生命的基本結(jié)構(gòu)單元。它們?cè)?00多年前顯微鏡發(fā)明后首次觀測(cè)到。在科學(xué)上研究最多的一個(gè)細(xì)胞是大腸桿菌，引起食物中毒的一種桿狀細(xì)菌。

　　事實(shí)上，細(xì)胞就像香腸一樣，由外面的包膜充滿著一種內(nèi)在質(zhì)量組成。幾十年來(lái)，生物學(xué)家們認(rèn)為，這種內(nèi)在質(zhì)量的增長(zhǎng)，給外膜增加壓力，導(dǎo)致細(xì)胞壁生長(zhǎng)。

　　但是，使用新技術(shù)來(lái)隔離和可視化細(xì)胞在不同的環(huán)境中，斯坦福大學(xué)的團(tuán)隊(duì)證明，無(wú)論是來(lái)自細(xì)胞內(nèi)部或外部的壓力都能夠?qū)е录?xì)胞壁的生長(zhǎng)。

　　與一個(gè)香腸的關(guān)鍵不同點(diǎn)是，一個(gè)細(xì)胞的外面包膜是活的，動(dòng)態(tài)的和多孔的。它的目的是讓水滲入或出去。這很重要，因?yàn)榧?xì)胞生活在體液中，因而受到滲透的壓力。

　　在液體中，滲透與固體材料的溶解量有關(guān)。例如，攪拌糖加入咖啡中，可增加其滲透壓。你攪拌越多的糖，溶液中的滲透壓就越高。

　　生命基于水，所以細(xì)胞有一個(gè)內(nèi)部的滲透壓。當(dāng)一個(gè)細(xì)胞進(jìn)入具有較高的滲透壓的溶液中時(shí)——如含糖液體——其多孔膜試圖通過讓水流出來(lái)，以保護(hù)細(xì)胞。這將導(dǎo)致細(xì)胞膜萎縮，壓實(shí)細(xì)胞承受壓力。把相同的細(xì)胞返回到正常的溶液中，多孔細(xì)胞壁允許水滲入，使細(xì)胞膨脹到其原來(lái)的尺寸。

　　生物學(xué)家一直假定這同樣的壓力動(dòng)態(tài)延緩細(xì)胞壁的生長(zhǎng)。這是一個(gè)有意義的普遍觀點(diǎn)——如果細(xì)胞壁的確通過細(xì)胞內(nèi)的擴(kuò)展，以及外部壓力迫使細(xì)胞收縮，而促進(jìn)生長(zhǎng)，那么細(xì)胞外壁怎么可以持續(xù)生長(zhǎng)?

　　事實(shí)上，斯坦福小組最初設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)是用來(lái)精確測(cè)量延緩大腸桿菌的細(xì)胞壁生長(zhǎng)需要多少滲透壓。

　　他們用微流體裝置在一個(gè)小室中捕獲細(xì)菌細(xì)胞。這是讓它們僅沐浴在密閉的細(xì)胞中，首先在高度濃縮的糖(高滲透壓)，然后在正常的溶液中，(低滲透壓)，同時(shí)記錄細(xì)胞收縮或擴(kuò)張的精確圖像。

　　最初，結(jié)果似乎證實(shí)了當(dāng)時(shí)的觀點(diǎn)：沐浴在糖溶液中的細(xì)胞出現(xiàn)了增長(zhǎng)相對(duì)較慢的情況。

　　但每當(dāng)研究人員通過觀察沖洗出來(lái)的糖和沐浴在正常溶液中的細(xì)胞時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令人震驚的事情，細(xì)胞在迅速擴(kuò)大——幾秒鐘內(nèi)——相當(dāng)于正常溶液中的細(xì)胞大小全速增長(zhǎng)。他們捕獲了這個(gè)擴(kuò)展視頻。

　　“該細(xì)胞似乎并不關(guān)心，它們一直遭受到頻繁的和大型(滲透)的抑制，“黃說(shuō)。

　　斯坦福大學(xué)的研究人員認(rèn)識(shí)到，細(xì)胞壁在糖溶液和在正常溶液中保持著一樣的增長(zhǎng)速度——但是額外的質(zhì)量會(huì)使它萎縮的像一顆葡萄干。當(dāng)細(xì)胞重新進(jìn)入正常溶液時(shí)，水通過多孔膜滲入，現(xiàn)在腫脹的細(xì)胞平滑的如葡萄一樣，以及所有的非明顯的增長(zhǎng)變得可見。

　　為了跟進(jìn)這個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)，羅哈斯在孟加拉國(guó)，擴(kuò)大調(diào)查，以研究如霍亂弧菌的細(xì)菌病原體在液體中是如何快速變化的，以及如何利用這些知識(shí)來(lái)打擊這一禍害。

　　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.