Ариэль Амир, доцент прикладной математики Гарвардского университета Джон А. Школа инженерии и прикладных наук Полсона и Цзе Линь, научный сотрудник Джорджа Кэрриера по прикладной математике, обнаружили, что в неизменной среде изменчивость может фактически снизить рост популяции одноклеточных организмов.
«В течение десятилетий исследователи искали неверный индикатор, чтобы понять скорость роста популяции одноклеточных организмов в фиксированных средах», — сказал Амир. "Исследователи считали само собой разумеющимся, что изменчивость во времени между рождением и делением клетки является ключом к измерению темпов роста популяции, но мы обнаружили, что эволюционное давление на изменчивость в популяции гораздо более тонкое, чем считалось ранее."
Это понимание важно для характеристики приспособленности популяции, что полезно, например, для понимания того, как бактерии реагируют на антибиотики.
Исследование опубликовано в Cell Systems.
Изменчивость одноклеточных организмов характеризуется различиями во времени генерации — времени от рождения до деления — и различиями в скорости роста клеточной биомассы. Семинальные исследования 1950-х годов показали, что различия во времени генерации — времени, которое проходит от рождения до деления — приводит к более быстрому росту населения, когда окружающая среда остается неизменной. Однако исследователи предположили, что время генерации было случайным и не зависело от материнской клетки.
Но теперь мы знаем, что это не так. В 2014 и 2015 годах Амир и его команда продемонстрировали, что объем клеток и время между подразделениями коррелируют между поколениями, и количественно оценили эти корреляции. Если, например, материнская клетка растет дольше среднего, то дочерняя клетка должна будет расти в течение времени меньше среднего, чтобы компенсировать.
«Независимо от того, насколько малы эти корреляции, они глубоко меняют результат того, как изменчивость влияет на рост популяции», — сказал Линь.
Лин и Амир обнаружили, что вариабельность скорости роста одноклеточной биомассы, а не время генерации, влияет на размер популяции. В результате низкая вариабельность скорости роста клеток приводит к увеличению прироста популяции.
«С эволюционной точки зрения, если вы хотите оптимизировать скорость роста вашей популяции, вы хотите свести к минимуму изменчивость скорости роста ваших клеток», — сказал Амир. "Мы обнаружили, что колебания времени генерации не имеют значения.
У вас могут быть очень разные подразделения. Пока ваша биомасса всегда увеличивается с одинаковой скоростью, ваше население будет расти с той же скоростью. Точно так же детали механизма, контролирующего размер ячейки, не имеют значения — пока он существует — в этом заключается разница между нашим анализом и предыдущей работой."
Это тоже можно увидеть экспериментально.
Исследователи заметили, что колебания скорости роста E. coli меньше, чем колебания во времени генерации — в некоторых случаях вариабельность скорости роста 6 процентов по сравнению с вариабельностью времени генерации от 20 до 30 процентов — и что темпы роста популяции соответствовали теоретическим предсказаниям.
«Это показывает, что при росте популяции необходимо учитывать контроль размера клеток, и эти тонкие корреляции, которые априори могут показаться безобидными, на самом деле действительно важны», — сказал Амир.