《Scientific Reports》：Inferring bacterial cell size dynamics across media conditions
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本研究探讨了稳态生长条件下细菌细胞尺寸如何维持、以及营养变化如何扰动这一平衡。研究者通过显微成像与数学模型，分析了不同培养基条件下大肠杆菌和肠炎沙门氏菌的细胞体积动态变化。他们发现，稳定期细胞体积分布与培养基类型无关；将其转入丰富培养基后，细胞体积会先短暂增至与培养基相关的最大值，约2小时后回落至稳定期大小。有趣的是，持续供给新鲜培养基可维持细胞尺寸分布稳定。在贫瘠培养基中，细胞体积变化小，但细胞宽度显著减小。此体积动态与OD600/CFU比值的动态变化相关。研究人员构建了一个简单的数学模型，预测了捕捉跨培养基条件下平均细胞尺寸动态所需的时变分裂率。本研究为在无法进行单细胞追踪时，比较动态环境中细胞尺寸调控机制提供了分析工具。
在我们的周围，无数的微生物正在悄无声息地生长、分裂，构成一个肉眼无法观测的庞大世界。对于其中一类我们最为熟悉的细菌——大肠杆菌（Escherichia coli， E. coli）来说，其细胞尺寸的维持是一个关乎生存效率的精密调控过程。在稳定、优渥的生长条件下，细菌能够通过协调细胞伸长和分裂过程，维持其细胞尺寸的稳定，这一现象被称为细胞尺寸稳态。然而，现实环境中的资源并非恒定不变。当营养条件发生改变时，细菌的尺寸稳态是如何被打破并重新建立的呢？这一动态调控过程背后隐藏着哪些规律？回答这些问题，对于理解细菌对环境变化的适应性以及更基础的细胞周期调控机制，都具有重要意义。目前，虽然已有许多研究关注稳态条件下的细胞尺寸，但在动态变化环境下的系统性解析仍存在空白，尤其是在无法进行单细胞追踪的群体水平上，如何量化分析这种动态变化是一个挑战。为了回答这些问题，一项发表在《Scientific Reports》上的研究应运而生。
为了深入探究细菌细胞尺寸在动态环境中的变化规律，研究人员采用了两个经典模型菌株：大肠杆菌和肠炎沙门氏菌（Salmonella enterica）。核心研究手段是显微成像技术，用于获取细胞的尺寸信息。研究人员将细菌置于不同的生长培养基（培养基）条件下，监控其在从指数生长期到稳定期（stationary phase）的全过程中的变化。同时，他们运用数学模型对这一生物过程进行定量描述和预测。
研究结果
1. 稳定期细胞体积分布与培养基无关
通过显微成像分析，研究人员发现，当大肠杆菌和肠炎沙门氏菌生长进入稳定期时，它们的细胞体积分布变得非常相似。值得注意的是，这种稳定的体积分布与它们之前生长的培养基类型（无论是丰富还是贫瘠）无关。这表明，在生长停止的稳定状态下，不同营养历史导致的尺寸差异被抹平，细胞趋向于一个“基础”的尺寸设定点。
2. 营养提升引发细胞体积的短暂“膨胀”
为了观察细胞对营养变化的响应，研究人员将处于稳定期的细胞重新悬浮到丰富培养基中。他们观察到一个有趣的动态过程：细胞体积并没有立刻稳定在某个新值，而是先经历了一个短暂的增加阶段，大约在2小时后达到一个最大值，这个最大值的大小与所使用的丰富培养基的类型有关。之后，细胞体积才开始逐渐下降，最终回归到与稳定期相似的尺寸。这一现象揭示了细胞尺寸调控存在一个动态的超调过程，而非简单的、立即的重新设定。
3. 持续营养供给能维持尺寸稳态
为了探究“膨胀-收缩”的动态是否由短暂的营养脉冲引发，研究人员设计了一个连续培养（continuous culture）系统，通过持续供给新鲜培养基来稳定细胞的生长相。在这种条件下，细胞的尺寸分布得以持续保持，不再出现类似“脉冲式”营养提升后观察到的先增后减的动态。这证明稳定、持续的富营养环境能够支持细胞维持一个不同于稳定期、且依赖于培养基的稳定尺寸状态。
4. 贫瘠培养基中细胞体积变化小，但宽度显著减小
与丰富培养基中的剧烈动态相反，在贫瘠培养基条件下生长的细菌，其细胞体积在整个生长曲线上的变化非常微小。然而，研究人员发现了一个显著的变化维度：细胞宽度。在贫瘠培养基中，细胞变得更窄，这意味着虽然总体积变化不大，但细胞的形态（长宽比）发生了显著改变，暗示着不同环境压力下，细胞尺寸调控策略的多样性。
5. 群体水平参数OD600/CFU比值与细胞体积动态相关
除了直接的显微测量，研究人员还探索了是否能从群体水平的常规测量参数中窥见细胞尺寸动态。他们将光密度（OD600， 一种衡量细胞悬液浊度或生物量的指标）与活菌计数（CFU， 菌落形成单位）的比值随时间的变化进行了分析。令人惊讶的是，这个比值的变化动态（先增加后减少）与单个细胞体积的动态变化非常相似。这表明，这种易于测量的群体参数，可以作为在无法进行单细胞追踪时，间接推断细胞平均尺寸变化的一个有效代理指标。
6. 数学模型预测实现观察动态所需的时变分裂率
基于上述观察，研究人员构建了一个简洁的数学模型框架。该模型旨在定量描述跨不同培养基条件的平均细胞尺寸动态。模型的核心发现是，为了准确捕捉观察到的细胞尺寸动态（尤其是营养提升后先增后减的现象），细菌群体的分裂率不能是恒定的，而必须是一个随时间变化的函数。这从理论上支持了动态环境中细胞周期调控参数（如分裂时机）本身也在发生动态调整的假说。
结论与讨论
本研究系统性地揭示了细菌细胞尺寸在动态营养环境中的变化规律，挑战了静态稳态的简单图景。研究发现，无论是大肠杆菌还是沙门氏菌，在进入稳定期后都收敛于相似的体积分布，独立于过往的营养历史。然而，一旦环境发生正向改变（营养提升），细胞会展现出一个先“过度生长”再“收缩调整”的复杂动态过程，其峰值尺寸与新的培养基成分相关。这表明细胞尺寸调控系统并非即时响应，而是存在惯性和动态调整。相反，在贫瘠环境中，细胞则主要通过改变形态（宽度）而非总体积来适应。研究最关键的见解之一是，群体水平的简单测量（OD600/CFU比值）可以作为一个强有力的代理，来反映单细胞体积的动态变化，这为无法进行单细胞成像研究的情景提供了宝贵的分析工具。最后，基于观察建立的数学模型指出，分裂率的时变性是解释跨环境尺寸动态的关键。这项工作不仅深化了我们对细菌细胞周期和尺寸调控机制的理解，更重要的是，它提出了一套结合实验观测、群体参数分析和数学建模的方法框架。这套框架能够应用于比较不同细菌种类、不同突变体或在不同动态压力（如抗生素处理）下的细胞尺寸调控策略，为在群体水平上研究动态环境中的细胞生物学开辟了新途径。正如作者所总结，这项分析可用于在无法进行单细胞追踪时，比较动态环境中细胞尺寸的调控机制。
