Американские исследователи изучили связь размеров прокариотической клетки с объемами ее оболочек, внутренних органелл, ДНК, различных видов РНК и белков. Оказалось, что нижнюю границу определяет геном, а верхнюю – экспоненциально растущая потребность в синтезе белков. Работа опубликована в ISME Journal.

Сегодня уже неплохо известны основные внутриклеточные процессы и органеллы, ответственные за их проведение – как специфических для разных организмов и клеток, так и общие для обширных их групп. Однако осмысление их работы как целого только начинается – такой анализ и провели американские исследователи под руководством Джона Дойла (John Doyle) и Тори Хёхлера (Tori Hoehler). Авторы рассмотрели взаимосвязь объема бактериальных клеток с их содержимым.

Как отмечают ученые, размеры бактерий могут различаться на пять порядков, причем нижняя и верхняя границы этого диапазона определяются ограничениями, которые создают протекающие в клетке энергетические, информационные (геномные), химические и физические процессы. Объем клетки растет экспоненциально ее линейным размерам, и сравнительный анализ показывает, что почти так же быстро увеличивается ее потребность в рибосомах, белках и РНК, тогда как размеры ДНК поднимаются не так быстро. Хромосома занимает львиную долю объема у наиболее мелких клеток, тогда как у самых крупных основное пространство начинают занимать белки и рибосомы.

Christopher Kempes et al., 2016

Факторами, определяющими нижнюю границу размеров бактериальной клетки, оказывается размер ее ДНК, а также клеточных оболочек. Поэтому если минимально возможный объем прокариотической клетки с «голой» мембраной авторы оценивают в величину порядка 10^-21 м³, то для реальных грамположительных бактерий он составляет порядка 10^-20. Действительно, это предсказание неплохо согласуется с имеющимися данными: самые микроскопические известные сегодня бактерии имеют клетки примерно такого объема.

Предел максимальному увеличению клеток прокариот ставит необходимость экспоненциально наращивать машинерию для производства белков. Чтобы поддерживать одну и туже скорость роста, большим бактериям требуется значительно больше рибосом, чем мелким. Причем с увеличением линейных размеров потребность в рибосомах растет пропорционально третьей степени. Как показывают расчеты биологов, рано или поздно это может закончиться «рибосомной катастрофой», при которой клетка в принципе неспособна вместить весь объем необходимых ей рибосом. По их оценкам, этот верхний предел лежит на уровне 10−15 м3, и чтобы перейти к более крупным размерам, клетке потребуется замедлить процессы деления а значит или проиграть в конкурентной борьбе или найти новую экологическую нишу (как это сделали эукариоты).

Впрочем, не менее интересными, по мнению авторов, оказываются бактериальные клетки промежуточных размеров – и остающееся пустым пространство в них. Если удастся достаточно точно выяснить объемы генома, белков, органелл и оболочек, необходимых клетке такой величины, и сравнить их с реальными ее размерами, то мы установим объемы, не занятые ничем, или занятые дополнительными копиями белков и РНК – то «ненужное» пространство, которое обеспечивает клетке адаптационную и метаболическую гибкость.

Автор: Роман Фишман