PNAS：饥饿细菌的寿命延长

印第安纳大学(Indiana University)教授杰伊·列侬（Jay T. Lennon）和他的实验室对长期饥饿下的微生物种群进行了研究，这可能有助于研究人员回答与慢性感染、细菌在环境中的功能以及生命本身的持久性有关的问题。

“细菌如何在长时间的能量限制下存活，这个更大的问题与了解人类和其他宿主的慢性感染有关，也与一些病原体如何耐受抗生素等药物有关，”列侬说。

许多细菌感染很难治疗，部分原因是药物通常是针对代谢活跃细胞的细胞机制设计的。列侬说，能量有限的细菌通常会进入一种安静或休眠的状态，这使得它们对药物治疗不那么敏感。病原体不仅能在这样的条件下存活，种群还会进化出耐药性，使问题变得更糟。

微生物在环境中也扮演着重要的角色。研究中的细菌来自农业土壤。列侬说，在这些栖息地中，微生物与植物形成共生关系，并进行对生态系统功能至关重要的过程，如碳封存、营养物质循环和温室气体排放。

一个尚未解决的主要问题是，数十亿个微生物细胞和数千个微生物类群如何在一克土壤中共存，而且通常是在恶劣的环境条件下。这项研究支持的一种解释是，微生物似乎能很好地适应盛宴或饥荒的条件，在这些条件下，资源可能会长期供应不足。这可能有助于解释复杂的微生物群落是如何随着时间的推移而维持的。

在这项研究中，列侬和他的同事们估计，作为地球上繁殖速度最快的生物，细菌也可能非常长寿。列侬和他的团队，包括前印第安纳大学的博士生威廉·苏梅克，估计能量有限的细菌的寿命可以与动植物媲美，在某些情况下甚至超过它们。该研究利用生存分析估计，一些种群的灭绝时间长达10万年。

“很明显，这些预测远远超出了可以测量的范围，”列侬说，“但这些数字与从琥珀、岩盐晶体、永久冻土和海洋最深处的沉积物等古代物质中发现的活菌的年龄是一致的。”

微生物在这种条件下的持续存在可能涉及到休眠和其他保存能量的机制。例如，列侬和他的同事们发现，在他们的封闭系统中，细胞的存活是由细菌“清除”死亡亲属的能力维持的。

在这种贫瘠的环境下，细胞必须靠少得可怜的食物勉强维持生命，列侬和他的团队对细菌进化的潜力感到好奇。他们发现了负选择的基因，但也发现了正选择的特征，这表明了允许新突变频率增加的隐性生长。这一发现表明，死亡细胞的循环具有促进适应性进化的潜力。考虑到地球上大片区域的能源有限，这样的观测对于理解基本生物过程的限制是相关的。

原文：Microbial population dynamics and evolutionary outcomes under extreme energy limitation. 10.1073/pnas.2101691118