Bakteriepopulationsvæksthastighed knyttet til, hvordan individuelle celler kontrollerer deres størrelse

Når familiebryllup alle synes at falde sammen med hinanden, fænomenet opstår af en grund. En person og deres første fætre har tendens til at være af samme alder, så deres bryllupper finder normalt sted inden for en lignende tidsramme. Men bryllupper for udvidede familiemedlemmer, sige anden og tredje kusine, tendens til at være mere spredt. Dette skyldes, at tiden mellem generation til generation varierer, betyder, at familier bliver mere spredte fra generation til generation.

En ny undersøgelse fra University of Pennsylvania post-doc Farshid Jafarpour fra Institut for Fysik og Astronomi, der arbejder i laboratoriet hos Andrea Liu, afslører, at variationer i generationstider ikke akkumuleres over flere generationer i encellede organismer, som bakterier. Han foreslår en ny teori, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , der beskriver, hvordan faktorer, der regulerer størrelsen af ​​individuelle celler, påvirker væksthastigheden af ​​en hel population.

I modsætning til dyr og planter, bakterier øger størrelsen af ​​deres befolkning blot ved at vokse i størrelse og derefter dele sig i to for at lave to nye bakterieceller. Ved at studere bakterier, når de deler sig regelmæssigt, kendt som den eksponentielle vækstfase, Jafarpour var i stand til at udvikle en model, der matematisk beskriver denne grundlæggende fase af befolkningsvækst. "Hvis du vil studere fysikken bag bakteriel vækst, du virkelig ønsker at fjerne alle de andre dele, der ikke er en del af vækstfasen, " han siger.

Jafarpour brugte en kombination af matematiske ligninger, computersimuleringer, og data fra biologiske eksperimenter, der sporede væksten af ​​individuelle bakterieceller. Han var overrasket over at opdage, at modellen forudsiger, at bakterier svinger mellem langsommere og hurtigere vækstudbrud, i "synkroniserede udbrud af divisioner, " i stedet for at befolkningen vokser med en konstant hastighed. Disse svingninger i væksten på befolkningsniveau giver nu en ny, matematisk måde for biologer at tænke over og studere befolkningsdynamik.

Tidligere, biologer vidste, at generationstiden i bakteriepopulationer var direkte relateret til størrelsen af ​​individuelle celler. Hvis en bakterie vokser for længe, for eksempel, dens datterceller er større, og de skal dele tidligere for at kompensere for deres størrelsesforskel. denne proces, kendt som cellestørrelsesregulering, ophæver også noget af variationen i generationstiden, som holder divisionstiderne synkroniseret med hinanden i meget længere tid end tidligere forventet. Det er denne individuelle metrik for cellestørrelsesregulering, der også ser ud til at forårsage svingningerne i vækstrater set i Jafarpours model.

"Variabiliteten i generationstider har to forskellige kilder:variationen i vækst og variationen i division, " Jafarpour forklarer. "Det interessante resultat er, at cellestørrelsesregulering fuldstændigt udligner variationen i division, så det eneste, der er tilbage, er variationen i de enkelte cellers vækst. Og, fordi det er mindre, svingningerne varer meget længere, end du ville forvente."

Denne nye model kan nu bruges af biologer til at få information om variabiliteten af ​​individuelle vækstrater, som er svære at måle i laboratoriet, men er ekstremt vigtige for at studere bakteriel evolution. Og selvom denne model ville have brug for nogle modifikationer, før den kunne bruges til at studere andre arter, Jafarpour mener, at det at hjælpe biologer med at få en bedre forståelse af den fysik, der ligger til grund for befolkningstilvækst i bakterier, blot er en af ​​mange måder, fysikken kan understøtte det arbejde, som biologer udfører.

"Biologi er blevet mere fokuseret på at finde ud af det molekylære grundlag for mekanismer siden 1950'erne med opdagelsen af ​​strukturen af ​​DNA, men nu er vi ved at nå et niveau, hvor vi skal tilbage og lave flere kvantitative undersøgelser. Fysikere har en lang tradition for at arbejde med systemer i den virkelige verden, at vide, hvordan man anvender mange af de kvantitative metoder, der er udviklet i matematik, og også forstå, hvilke variabler der er relevante, og hvilke variabler der ikke er, " siger Jafarpour.