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细胞通常会表达超过维持稳态生长所需水平的必需组分。蛋白质储备或过剩这一概念近年来已被提出，作为细菌维持长期细胞适应度的一种策略；通常认为，这种策略以降低稳态生长为代价，从而换取对新环境更快的适应。然而，这种过剩的来源及其生理后果仍不清楚，尤其对于包括转录、翻译和中心代谢在内的核心细胞过程而言更是如此。在此，我们建立了一个统一的过剩操作性定义，并在单细胞水平上对大肠杆菌中转录、翻译和中心代谢机器中若干关键组分的过剩进行了定量分析。通过结合微流控技术、定量荧光成像和基于CRISPR干扰的基因敲低，我们证明，在营养受限条件下，大量核心生物合成组分即使被去除，也不会影响稳态生长。出乎意料的是，与主流权衡模型相反，这种过剩并不会对稳态生长造成代价。相反，我们表明，过剩作为底物限制的被动结果而出现，这一点可由一个简单的理论模型加以解释；该模型建立在细菌细胞普遍存在的自催化网络结构基础之上。扰动实验进一步证实了模型预测：转录和翻译机器的过剩能够加速细胞向营养丰富条件下的生长适应，而不影响稳态生长。此外，在缓慢生长条件下，过剩通过降低生物合成循环发生随机性崩溃的风险来抑制细胞死亡，这也与我们的理论模型预测一致。总之，我们的结果表明，过剩是核心生物合成的内在属性，也是波动环境中决定细菌长期适应度的关键因素。
摘要
细胞通常表达必需组分，其水平高于维持稳态生长所需的水平。近年来，“蛋白质储备”或“过剩”的概念已被提出，作为细菌维持长期细胞适应性的策略；通常认为，这种策略以降低稳态生长为代价，以换取对新环境更快的适应。然而，这种过剩的起源及其生理后果仍不清楚，尤其是对于包括转录、翻译和中心代谢在内的核心细胞过程而言。
在此，我们建立了一个统一的、可操作的过剩定义，并在单细胞水平上对大肠杆菌中转录、翻译和中心代谢机制的若干关键组分的过剩进行了定量。通过结合微流控技术、定量荧光成像以及基于 CRISPR 干扰的基因敲低，我们证明，在营养受限条件下，可以移除核心生物合成组分中的相当大一部分，而不影响稳态生长。出乎意料的是，这种过剩并不会对稳态生长施加代价，这与主流的权衡模型相反。相反，我们表明，过剩作为底物限制的被动结果而出现，这一点可由一个简单的理论模型解释；该模型基于细菌细胞普遍存在的自催化网络结构。扰动实验进一步证实了模型预测：转录和翻译机制的过剩可加速细胞在营养丰富条件下的生长适应，而不影响稳态生长。此外，在慢生长条件下，过剩通过降低生物合成循环随机性崩溃的风险来抑制细胞死亡，这同样与我们的理论模型预测一致。
总体而言，我们的结果表明，过剩是核心生物合成的内在属性，也是决定细菌在波动环境中长期适应性的关键因素。
利益冲突声明
已声明资助信息
美国国家科学基金会，2309595 美国国立卫生研究院，R35GM151216
版权
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本文依据 CC-BY-NC 4.0 国际许可协议公开提供。
发表于 2026 年 7 月 19 日。
核心生物合成的涌现性、无代价过剩支配细菌适应性
Huijing Wang，Dotan Goberman，Christopher Aldrich，Rami Pugatch，Fangwei Si
bioRxiv 2026.07.17.739201； doi: https://doi.org/10.64898/2026.07.17.739201
📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.07.17.739201v1?rss=1
🏷️ 细菌适应性 蛋白质过剩 核心生物合成 大肠杆菌 单细胞定量 CRISPR干扰