摘要
细菌是在微观尺度下生活的单细胞生物。我们可以在任何地方找到细菌，包括在我们自己的身体里。细菌种类繁多，形状和大小各异。它们的生活和生长方式也有很大差异。有些细菌生长得很快，有些细菌生长得很慢。我们想测量环境中许多不同类型细菌的生长情况。不幸的是，有些种类的细菌很难在实验室里培养。为了解决这个问题，我们设计了一种方法来预测一种细菌的生长速度，仅仅通过它的DNA。这样，如果我们有某种细菌的DNA，即使我们不能让它在实验室里生长，我们也可以测量它的生长。
有些细菌生长得很快，有些则没有那么快
我们星球上的大多数生命都很小。细菌是在微观尺度下生活的单细胞生物。我们可以在任何地方找到细菌，包括在我们自己的身体里。更令人印象深刻的是，细菌种类繁多，形状和大小各异。它们的生活和生长方式也有很大差异。例如，某些种类的细菌繁殖得很快，但其他种类的细菌繁殖得很长时间。有些甚至需要几千年1] !作为科学家，我们想知道为什么有些细菌生长得快，有些细菌生长得慢。例如，如果一种细菌能让你生病，而且它也生长得很快，这可能是一个危险的组合!
细菌繁殖的过程叫做二分体．这意味着单个细胞生长，复制其DNA，并最终分裂为两个，产生两个“子”细胞(图1)．基本上，细菌克隆自己，创造一个几乎相同的副本。细菌分裂的速度差别很大。一些快速生长的细菌可以在10分钟内分裂。另一方面，一些生长缓慢的细菌可能要等几天或更长时间才能分裂。例如,沙门氏菌血清这是一种讨厌的细菌，当它在你的肠道中生长时，会导致你食物中毒，它每20分钟就会分裂一次。Prochlorococcus是世界海洋中数量最多的生物之一[2，并且需要一天或更长的时间来完成一个除法。我们把一个细菌细胞分裂所需的时间叫做倍增时间（图1)．我们可以用倍增时间来衡量细菌种群的增长速度。当细菌快速生长时，这意味着倍增时间很短。当细菌生长缓慢时，这意味着加倍的时间很长。
- 图1 -细菌通过二元裂变繁殖。
- 随着细胞的生长，它们的大小会增加，并最终开始复制它们的基因组(DNA)。最终，一个细菌细胞分裂成两个，每个“子”细胞接收一个基因组副本。两段之间的时间间隔称为加倍时间。生长快的细胞加倍时间短，而生长慢的细胞加倍时间长。
细菌不会总是快速生长——它们必须有合适的条件。当食物充足时，细菌会快速生长，倍增时间很短。随着资源变得稀缺，细菌可能会开始分裂得更慢，导致加倍的时间更长。这就是为什么你必须担心你的食物会变质，因为微小的细菌，任何人类的食物都是大量的食物，所以它们开始迅速分裂。另一方面，我们并不经常担心大量细菌积聚在我们家里的大多数表面，因为通常那里没有太多可供它们食用的东西。舔墙很恶心，但它可能不会像吃变质的食物那样让你生病!(但是看完这篇文章后不要去舔墙!你永远不知道周围会发生什么……)
食物的数量并不是限制细菌生长的唯一因素。有些细菌就是比其他细菌长得快。也就是说，不同种类的细菌有不同的最小加倍时间。最小加倍时间是指在最佳条件下，细胞数量加倍所需的时间。也就是说，当细菌有足够的食物时，它们能以多快的速度生长?可以这样想:如果你又饿又渴，你可能跑不了那么快，如果你吃得很饱，喝得很足。但无论你吃多少喝多少，你永远跑不了猎豹那么快。有些物种进化得比其他物种长得(或跑得)快。
如何在没有微生物生长的情况下测量生长?
不幸的是，我们无法测量许多细菌的生长速度，因为我们不知道如何在实验室中培养它们中的大多数。要弄清楚一个细菌最喜欢的食物是什么，或者它喜欢在什么温度下生长，或者一个物种的任何其他偏好(盐度、pH值等)都不容易。弄清楚这些事情可能既昂贵又耗时，所以我们只知道相对较少的细菌(约14,000种)的生长条件，而估计存在的细菌物种总数(约400,000种)[3.] !我们不能在实验室里培养的细菌是一个很大的谜，弄清楚它们的生长速度是弄清楚它们在野外能做什么的第一步。
科学家能做什么?有时我们不能在实验室里培养一种细菌，但我们仍然可以了解到很多关于它的信息。你会问，怎么做到的?我们可以从自然环境中收集这些细菌，并检查它们的DNA，而不需要培养它们。我们在这里就不详细讨论了，但重点是，即使我们不能在实验室培养细菌，我们有时仍然可以恢复它的DNA序列。细菌的DNA序列可以告诉我们细菌种类的生长速度。
细菌基因组生长的线索
那么，我们如何通过DNA序列来判断细菌分裂的速度呢?在我们告诉你如何从DNA中预测生长速度之前，我们需要告诉你一点DNA是如何工作的。每一种生物都是由细胞组成的，每一个细胞都有DNA, DNA提供了形成生物的“指导手册”——细胞生存和生长所需的指导。我们把细胞内DNA的集合称为细胞的基因组．基因每段DNA都能告诉细胞如何制造特定的DNA蛋白质．蛋白质是构成细胞结构的分子。
好吧，这真是太多了!这里有一个简单的思考方法。基因组就像一本如何构建细胞的说明书，而每个基因就像手册中的一个“章节”，包含了制造细胞的一个部分的指令(图2一个)．所以，如果基因就像说明书的章节，那是什么词呢?DNA字母表包含四个字母:A、T、G和c。每个字母代表一种不同类型的分子，可以被整合到更长的DNA链中。所有基因“单词”都是三个字母长，我们称之为“单词”密码子．每个单词都代表an氨基酸蛋白质的一个组成部分，和一长串单词(基因，或“章节”)一起被用来在细胞中构建具有特定功能的特定蛋白质。
- 图二-(一)基因组可以被认为是构建细胞的“指导手册”，每个基因是一个“章节”，每个密码子是一个“单词”。所有的密码子都由三个字母组成——“DNA语言”中的所有单词都是三个字母长。
- (B)DNA的语言是冗余的，这意味着多个单词(密码子)具有相同的含义。相同的蛋白质序列可以由不同的DNA序列产生。其中一些序列比其他序列更容易让细胞快速产生，从而允许更快的生长。
就像英语或其他语言一样，DNA的语言是冗余的——不同的词可以表示相同的东西。不同的密码子可以编码相同的氨基酸(蛋白质片段)(图2 b)．但是，就像你一样，细胞更喜欢使用某些词语。例如，大多数人宁愿说“我觉得饿了”而不是“我饿坏了”，即使这两个句子的字母数量相同。对我们大多数人来说，“饥饿”这个词比“饥饿”这个词来得更快。即使一个词在我们的词汇表中，我们也可能不喜欢使用它，尤其是在我们试图快速交流的时候。所有种类的细菌在它们的“词汇表”中都有相同的密码子，但每种细菌都更喜欢使用一些密码子。当一个细胞想要快速生长时，它更容易使用它喜欢的密码子集来构建蛋白质。随着时间的推移，这种偏好意味着自然选择倾向于在快速生长的物种中使用更小的词汇量。我们可以测量一个细胞的首选词汇量的大小来预测它的生长速度——更小的首选词汇量意味着更快的生长速度(以及更短的倍增时间)。
我们建立了一个计算机模型［4)，通过测量细菌物种密码子“词汇表”的大小来预测这些细菌的生长速度(图3)．这使我们能够估计细菌的生长速度，即使我们不能在实验室中培养它们，只要我们对物种的基因组进行了测序。这意味着我们可以比以前测量更多种类细菌的生长速度。
- 图3 -我们的计算机模型对物种加倍时间的预测与实验室实验测量的实际最小加倍时间相似。
- 虚线是x = y线，它代表一个完美的预测。每个点代表一个不同的细菌，我们试图预测其生长速度。我们强调创伤弧菌红色是因为它是我们预测的增长最快的细菌。我们强调麻风杆菌蓝色是因为它是我们预测的生长最慢的细菌。
当微生物生长缓慢时，它们很难生长
我们通过计算机模型发现，我们在实验室培养的细菌大多生长得非常快。想想看，你愿意等着细菌生长吗?更糟糕的是，许多这些生长缓慢的细菌也非常挑剔，所以很难弄清楚它们生长所需的条件。总而言之，在实验室里培养慢菌是非常耗时和乏味的。这意味着我们实际上对生长缓慢的细菌知之甚少，至少与它们生长迅速的表亲相比是这样。
当我们预测直接从环境中提取的细菌翻倍的时间时，我们发现它们的翻倍时间比我们已经知道如何在实验室中培养的细菌要长得多。这向我们展示了为什么科学家过去主要研究快速生长的细菌。大多数科学家的时间和资源都很有限。它们有时会对最简单的一组细菌起作用，而不是环境中最常见的细菌。然而，一些科学家正在非常努力地学习更多关于缓慢生长的细菌的知识。未来培育这些细菌将具有挑战性，但关于它们的生物学知识仍有很多有待了解。这一点尤其正确，因为一些环境，比如海洋，大多都是缓慢生长的生物。
思考未来
DNA可以告诉我们很多关于细菌如何生存的信息。在这篇文章中，我们讨论了DNA如何告诉我们细菌的生长速度，但关于细菌还有许多其他有趣的事情需要研究。关于细菌，DNA还能告诉我们什么?我们还想研究细菌的其他特征吗?如果你要用DNA来预测细菌，会是什么呢?
资金
JW获得西蒙斯基金653212海洋微生物生态学博士后奖学金。我们也感谢西蒙斯基金会海洋生态系统计算生物地球化学建模合作(CBIOMES)资助549943(给JF)和美国国家科学基金会海洋科学部(OCE)资助1737409(给JF)。
术语表
二分体：↑细菌的繁殖过程，在此过程中一个细胞分裂成两个相同的“子”细胞。
倍增时间：↑细胞分裂的时间间隔。生长较快的细菌加倍时间较短，生长较慢的细菌加倍时间较长。
基因组：↑所有细胞的DNA。细胞的“使用手册”。
基因：↑提供合成蛋白质指令的DNA片段。
蛋白质：↑细胞的重要部分共同完成了生命的大部分工作。
密码子：↑编码特定蛋白质片段的DNA“词”。
氨基酸：↑蛋白质的组成部分。每个都由一个或多个密码子编码。
计算机模型：↑我们在计算机上构建的一个程序，用来更好地理解和预测生物学是如何工作的。
利益冲突
作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可能被解释为潜在的利益冲突。
原文
↑魏斯曼，侯，S，福尔曼，J. A. 2021。通过密码子使用模式，从培养物、宏基因组和单细胞中估计最大微生物生长速率。Proc。国家的。学会科学。美国118: e2016810118。doi: 10.1073 / pnas.2016810118
参考文献
[1]↑Jørgensen, B. B.， D 'Hondt, S. 2006。生态——海底深处饥饿的大多数。科学．314:932-4。doi: 10.1126 / science.1133796
[２]↑帕滕斯基，F.，赫斯，W. R.和沃洛特，D. 1999。原绿球藻，具有全球意义的海洋光合原核生物。Microbiol。摩尔。杂志。牧师．63:106-27。doi: 10.1128 / mmbr.63.1.106 - 127.1999
[3]↑刘易斯，W. H.，塔洪，G.，吉辛克，P.，索萨，D. Z.和埃特玛，T. J. 2020。培养未培养微生物的创新。Nat. Rev.微生物．22:1-6。doi: 10.1038 / s41579 - 020 - 00458 - 8
[4]↑魏斯曼，侯，S，福尔曼，J. A. 2021。通过密码子使用模式，从培养物、宏基因组和单细胞中估计最大微生物生长速率。Proc。国家的。学会科学．美国118: e2016810118。doi: 10.1073 / pnas.2016810118