细菌细胞大小

我们对微生物的认知在很大程度上受到它们微小尺寸的影响。直到 17 世纪显微镜发明之前，大多数这些古老物种的存在都没有被人们认识到。起初，它们被认为只不过是“酶的袋子”，但随后在成像、分子系统学以及最近的基因组学方面的发现，揭示了这个此前未见的生命世界内部令人瞩目的多样性。本文将讨论细菌对其进化、生理和形态发生的影响。

Candidatus Actinomarinaminuta 是一种自由生活的海洋超微细菌，其细胞体积为大肠杆菌的 1%（0.013 mm³，范围为 0.6 × 10⁻² 至 2.4 × 10⁻² fL）。一种生活在海洋沉积物中的细菌，通常被称为“纳米比亚的硫磺珍珠”，它是一种球形细菌，直径是大肠杆菌的八倍（直径 750 mm，体积 2.2 × 10⁸ fL 或 0.22 mL）。这种细菌的科学名称是 Thiomargarita namibiensis。Thiomargarita 比果蝇的眼睛稍大，肉眼可见。仔细观察 Thiomargarita 会发现它有一个中央充满液体的液泡，占据了细胞体积的 98%，并作为硫化物氧化的硝酸盐库。即使考虑到内部液泡，巨大的 Thiomargarita 细胞也拥有巨大的生物体积（4.4 × 10⁶ fL）来维持。Epulopiscium spp. 是已知最大的异养细菌，是某些海洋刺尾鱼的肠道共生菌。这些雪茄形细胞的细胞质体积为 2 × 10⁶ mm³（0.02 mL），直径可达 600 mm，宽 80 mm。与 Thiomargarita 不同，Epulopiscium 细胞没有储存液泡和其他惰性内含物。Candidatus Actinomarina 的微小尺寸与巨型细菌相比，这两个物种之间的差距就像老鼠和帝国大厦一样（在这个尺度上，大肠杆菌可以代表一只小臭鼬或一只兔子）。

哪些因素影响细菌细胞的大小？

最小的细胞需要足够的空间来容纳足够的遗传资源以维持其生活方式。为了维持其新陈代谢和细胞繁殖，细胞还必须包含表达这些基因和管家蛋白以及生化物质的基本机制。由于宿主满足了它们的需求，因此放弃了代谢能力的专性细胞内共生菌、病原体和细胞器表现出基因组和代谢的简化。丢失感知和响应环境变化的基因可能导致基因组大幅减少，但不一定会导致细胞大小成比例地减小。所有大细胞的形状和功能似乎都受到扩散限制的约束。大细菌在其环境中生存的能力受到与营养物质的相互作用、废物清除以及细胞内生物分子及时移动以满足代谢需求的影响。真核细胞比细菌细胞更复杂，并且具有相对较大的尺寸。这种进步和尺寸归功于真核细胞中细胞功能的区室化。不仅如此，它们还含有细胞骨架网络蛋白质的转运，以及基因组资源的扩张。它们还获得了产生能量的共生细胞器。

扩散问题

巨大细菌的发现迫使人们重新思考关于细菌细胞大小限制的长期观点。扩散是分子在三维空间中的随机运动。它是将分子在细胞内以短距离（几微米）运输的最有效方法。即使是一个大蛋白质，在细胞质中也能在不到一秒的时间内可靠地传输这个距离。因此，在正常细菌中产生的或引入的生物分子，几乎都能很快到达其活性位点。然而，按我们的尺度测量，在毫米的距离上（大约是 Epulopiscium 细胞的长度，以及 Thiomargarita 周长的几分之一）的扩散传输变得异常缓慢。在环境温度下，像氧气这样的小分子需要大约一个小时才能扩散 1 毫米（Schulz and Jorgensen 2001）。同样，营养物质的摄取依赖于分子在细胞表面的扩散和捕获。因此，自由生活的细胞很小，与细胞质体积相比，表面积很大，这使得它们能够在低浓度下收集营养物质以满足细胞的代谢需求。这些限制已被应用于细胞形状和功能。大肠杆菌的表面积与体积之比为 3.7 mm² / 1 mm³，而最大的 Thiomargarita 细胞的表面积与体积之比为 8.2 × 10⁻³ mm² / 1 mm³。这些巨大的细菌显然是在打破规则。

巨型细菌的繁殖

巨大的细菌具有多种繁殖技术，其中一些技术可能有助于最大化它们的繁殖潜能、发育和释放大量后代。所有最大的 Epulopiscium spp. 每天繁殖一次，产生两个或更多的细胞内后代。令人惊讶的是，体内后代的开始和发育遵循一个固定的日常周期，并且宿主鱼体内任何特定种群的发育都高度协调。后代的发育发生在白天宿主进食时。

母细胞双极分裂开始繁殖过程。极体细胞被完全吞噬，后代在母细胞细胞质中一个膜结合的区室中发育，直到完全填满。最后阶段，后代通过母细胞包膜的裂缝出现。尽管发育同步，但单个种群的体积可能相差五倍。母细胞似乎在发育后期经历了某种程序性细胞死亡，这个过程可能保留了生长过程中收集的生化资源。由于其大小、非典型的繁殖方式以及基于形态学特征识别细菌之间进化关系的困难，Epulopiscium 最初被归类为一种新的原生生物。内孢子发育导致了 Epulopiscium spp. 的体内后代产生。形成孢子的厚壁菌似乎已经多次适应了内孢子形成作为一种繁殖机制。

环境对物种大小的影响

当资源稳定可用且浓度很高时，大型细菌就会茁壮成长。这些相关性为理解可能使生物体克服细胞大小扩散限制的条件提供了一些见解。巨大的螺旋体可以在富含营养的沉积物和各种消化系统中找到，包括白蚁的后肠。在几种草食动物的消化道中已发现大型杆状细胞。硫氧化细菌细胞 Thiomargarita 在海洋沉积物中很丰富。它们几乎遍布全球，并将矿物质带走以提供其呼吸能量。充足的能量来源是所有这些系统中的共同特征，它可能是一个统一的因素。多倍体在细菌中很常见，尽管维持它很昂贵。在富含营养的环境或能量几乎取之不尽的情况下，可以减轻选择将基因组缩减为单拷贝的压力，从而使多倍体细菌得以繁盛。随后，可以对细胞设计进行更改，以允许进一步增大尺寸。

细胞大小稳态

在稳态条件下，细菌的等基因种群将细胞大小保持在非常窄的范围内。对于每次分裂事件，细菌都会开始并完成一个 DNA 复制周期，这与真核生物相似。与真核生物不同的是，DNA 复制、染色体分离和分裂机制的组装不是独立的操作，而是根据生长速度在不同程度上重叠。

重要的是，在营养丰富的条件下维持的快速生长速率下，细菌可以将分裂间隔时间缩短到染色体 DNA 复制所需时间的一半以下。例如，大肠杆菌可能在短短 20 分钟内增大一倍并分裂；然而，即使在最佳条件下，复制完整的 4-Mb 大肠杆菌染色体也需要 60 分钟。快速生长的细胞似乎通过连续制造 DNA 并启动新的复制周期来克服这种明显的矛盾，在旧周期完成之前。这些细胞可能同时拥有 4、8，甚至 16 个复制叉。尽管复制的起始仅限于每个细胞周期分裂一次，但只需要一个复制周期就可以完成分裂。因此，可以说起始事件和终止事件在单个分裂周期内不一定与同一个复制叉相关。

在大多数细菌中，控制细胞分裂和细胞大小的分裂始于在预期的分裂位点形成一个环状结构，由关键的 GTPase FtsZ 形成。“Z 环”作为其余细胞分裂机制组装的脚手架。尽管这两种蛋白质的序列相似性很小，但结构研究表明 FtsZ 是微管蛋白的进化前体。在任何给定时刻，细胞中大约三分之一的 FtsZ 位于 FtsZ 环中，亚基周转率在几秒钟的量级。细胞骨架蛋白 FtsZ 直接影响细胞大小，使其成为影响细胞大小稳态变量的合适靶标。FtsZ 耗竭最初对细胞生长或 DNA 复制的影响很小，但会导致细胞长度迅速增加。在稳态条件下，即使细胞内 FtsZ 浓度降低 20%，细胞长度也会大幅增加（50%）。如果细胞分裂环是砖砌结构，那么很容易想象砖块供应的变化会如何影响细胞大小。当 FtsZ 浓度高时，砖块易于获取，从而缩短了运输时间，并能够构建稳定且功能正常的 Z 环。另一方面，FtsZ 可用性降低会减慢砖块向建筑现场的输送，延迟分裂设备的组装，从而延迟细胞分裂。由于细胞继续以正常速率生长，细胞分裂环组装的延迟会导致细胞大小的增加。

在大肠杆菌和枯草芽孢杆菌中，FtsZ 的水平与细胞大小成正比，并且独立于生长速率。FtsZ 的可用性应大大降低细胞大小的随机变化。短细胞将需要更长的时间来收集足够的 FtsZ 进行分裂，从而导致更大的分裂尺寸。另一方面，长细胞需要更少的时间来收集足够的 FtsZ 来促进分裂设备的组装，从而导致更短的分裂间隔时间和更短的子细胞长度。仅 FtsZ 的积累本身不足以开始细菌细胞分裂。这与 DnaA 相同，其积累本身不足以解释细胞大小的稳态。尽管 FtsZ 的两倍过表达在大肠杆菌和枯草芽孢杆菌中将细胞大小降低了 10%，但对分裂时间没有影响。这些变量如何与细胞周期进程相互作用仍不清楚。FtsZ 是细胞分裂细胞机器的重要组成部分。它参与细胞分裂的限速步骤，作为细胞稳态调节的潜在候选者。

细胞大小调控取决于营养

在许多细菌中，营养可用性是影响细胞大小的主要因素。Schaechter、Maale 和 Kjeldgaard 在一篇经典文章中发现，沙门氏菌的细胞大小会根据生长速率的变化而变化近两倍。在营养丰富的培养基中培养的细胞，倍增时间为 20 分钟，其大小是在营养贫乏的培养基中培养的细胞（倍增时间超过一小时）的两倍多。无论生长参数如何，或者生长由于其他原因延迟，生长速率和大小之间的关系都保持恒定。即使细菌正在经历某种压力，或者碳、氮和磷酸盐营养供应有任何延迟，细胞大小也不会受到影响。这表明细胞大小的基本驱动因素是倍增时间，而不是它们在培养基中获得的营养含量。

然而，最近的研究表明，细菌的大小是一个复杂的过程，涉及一系列精心编排的调控回路，每个回路都对一组独立且有时重叠的营养依赖信号做出响应。