Природа зависимости скорости роста бактерий от температуры: аналогия с вязкостью стеклообразующих жидкостей в неорганических материалах
DOI:
https://doi.org/10.33910/2687-153X-2024-5-2-67-73Ключевые слова:
скорость бактериального роста, стеклообразующая жидкость, переход в стеклообразное состояние, вязкость, свободный объемАннотация
Исходя из недавнего предположения о том, что цитоплазма бактерий схожа по свойству со стеклообразующими жидкостями, нами предложено новое отношение зависимости скорости роста бактерий от температуры: k = k0exp[–Ea/kB(T–Tc)] для диапазона низких температур, где k0 — постоянная, Ea — энергия активации (eV), kB — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура (K), а Tc — характеристическая температура (замерзания) (K), по аналогии с зависящей от температуры текучестью (обратная вязкости величина), наблюдаемой в стеклообразующих жидкостях неорганических материалов. Данное монотонное поведение бактериального роста прерывается при более высоких температурах, т. е. k резко снижается вместе с T, что может быть связано с резким ростом физиологической концентрации цитоплазмы при превышении критической температуры Tm. Наблюдение касательно температурной зависимости скорости бактериального роста аналогично наблюдению в отношении стеклообразующих жидкостей в неживых неорганических материалах.
Библиографические ссылки
Arcus, V. L., Prentice, E. J., Hobbs, J. K. et al. (2016) On the temperature dependence of enzyme-catalyze rates. Biochemistry, 55 (12), 1681–1688. https://doi.org/10.1021/acs.biochem.5b01094 (In English)
Balasubramanian, S., Devi, A., Singh, K. et al. (2016) Application of glass transition in food processing. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 56 (6), 919–936. https://doi.org/10.1080/10408398.2012.734343 (In English)
Berthier, L., Flenner, E., Szamel, G. (2019) Glassy dynamics in dense systems of active particles. The Journal of Chemical Physics, 150 (20), article 200901. https://doi.org/https://doi.org/10.1063/1.5093240 (In English)
Cossins, B., Jacobson, M. P., Guallar, V. (2011) A new view of the bacterial cytosol environment. PLOS Computer Biology, 7 (6), article e1002066. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1002066 (In English)
Dauchot, O., Lowen, H. (2019) Chemical physics of active matter. The Journal of Chemical Physics, 151 (11), article 114901. https://doi.org/10.1063/1.5125902 (In English)
Fernandez-de-Cossio-Diaz, J. F., Vazquez, A. (2018) A physical model of cell metabolism. Scientific Reports, 8 (1), article 8349. https://doi.org/10.1038/s41598-018-26724-7 (In English)
Doolittle, A. K. (1951) Studies in Newtonian Flow. II. The dependence of the viscosity of liquids on free-space. Journal of Applied Physics, 22 (12), 1471–1475. https://doi.org/10.1063/1.1699894 (In English)
Elliott, S. R. (1990) Physics of amorphous materials. 2nd ed. New York: Wiley Publ., 481 p. (In English)
Golding, I., Cox, E. C. (2006) Physical nature of bacterial cytoplasm. Physical Review Letters, 96 (9), article 098102. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.96.098102 (In English)
Grimaldo, M., Lopez, H., Beck, C. et al. (2019) Protein short-time diffusion in a naturally crowded environment. The Journal of Physical Chemistry Letters, 10 (8), 1709−1715. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.9b00345 (In English)
Heitezer, H., Peter, H., Kohler, E., Hamer, G. (1991) Utility of phenomenological models for describing temperature dependence of bacterial growth. Applied and Environmental Biology, 57 (9), 2656−2665. https://doi.org/10.1128/aem.57.9.2656-2665.1991 (In English)
Janssen, L. M. C. (2019) Active glasses. Journal of Physics: Condensed Matter, 31, article 503002. https://doi.org/10.1088/1361-648X/ab3e90 (In English)
Khonsari, A. S., Kollmann, M. (2015) Perception and regulatory principles of microbial growth control. PLoS ONE, 10 (5), article e0126244. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0126244 (In English)
Lama, H., Yamamoto, M. J., Furuta, Y. et al. (2022) Emergence of bacterial glass. [Online]. Available at: https://arxiv.org/abs/2205.10436 (accessed 09.11.2023). (In English)
Lee, K., Shoda, M., Kawai, K., Koseki, S. (2020) Relationship between glass transition temperature, and desiccation and heat tolerance in Salmonella enterica. PLoS ONE, 15 (5), article e0233638. https://doi.org/10.1371%2Fjournal.pone.0233638 (In English)
Micoulaut, M. (2021) The world scientific reference of amorphous materials: Structure, properties, modeling and applications of amorphous chalcogenides. New Jersey: World Scientific Publ., 1548 p. (In English)
Munder, M. C., Midtvedt, D., Franzmann, T. et al. (2016) A pH-driven transition of the cytoplasm from a fluid-to a solid-like state promotes entry into dormancy. eLife, 5, article e09347. https://doi.org/10.7554/eLife.09347 (In English)
Nishizawa, K., Fujiwara, K., Ikenaga, M., Nakajo, N. (2017) Universal glass-forming behavior of in vitro and living cytoplasm. Scientific Report, 7 (1), article 15143. https://doi.org/10.1038/s41598-017-14883-y (In English)
Noll, P., Lilge, L, Hausmann, R., Henkel, M. (2020) Modeling and exploiting microbial temperature response. Processes, 8 (1), article 121. https://doi.org/10.3390/pr8010121 (In English)
Ojovan, M. I. (2008) Viscosity and glass transition in amorphous oxides. Advanced in Condensed Physics, 2008, article 817829. https://doi.org/10.1155/2008/817829 (In English)
Oyama, N., Kawasaki, T., Mizuno, K., Ikeda, A. (2019) Glassy dynamics of a model of bacterial cytoplasm with metabolic activities. Physical Review Research, 1 (3), article 032038(R). https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.1.032038 (In English)
Perry, B. R., Surovtsev, I. V., Cabeen, M. T. et al. (2014) The bacterial cytoplasm has glass-like properties and is fluidized by metabolic activity. Cell, 156 (1–2), 183–194. https://doi.org/10.1016/j.cell.2013.11.028 (In English)
Pinto, C., Shimakawa, K. (2023) Glassy dynamics in bacterial growth rate temperature dependence. AIP Advances, 13 (2), article 025126. https://doi.org/10.1063/5.0139055 (In English)
Ratkowsky, D. A., Lowry, R. K., McMeekin, T. A. et al. (1983) Model for bacterial culture growth rate throughout the entire biokinetic temperature range. Journal of Bacteriology, 154 (3), 1222–1226. https://doi.org/10.1128/jb.154.3.1222-1226.1983 (In English)
Ratkowsky, D. A., Olley, J., McMeekin, T. A., Ball, A. (1982) Relationship between temperature and growth rate of bacterial cultures. Journal of Bacteriology, 149 (1), 1–5. https://doi.org/10.1128/jb.149.1.1-5.1982 (In English)
Ryabov, Ya. E., Gutina, A., Arkhipov, V., Feldman, Yu. (2001) Dielectric relaxation of water absorbed in porous glass. The Journal of Physical Chemistry B, 105 (9), 1845–1850. https://doi.org/10.1021/jp0033061 (In English)
Ryabov, Ya. E., Puzenko, A., Feldman, Yu. (2004) Nonmonotonic relaxation kinetics of confined systems. Physical Review B, 69 (1), article 014204. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.69.014204 (In English)
Smigiel, W. M., Mantovanelli, L., Linnik, D. et al. (2022) Protein diffusion in Escherichia coli cytoplasm scales with the mass of the complexes and is location dependent. Science Advances, 8 (32), article eabo5387. https://doi.org/10.1126/sciadv.abo5387 (In English)
Takatori, S. C., Mandadapu, K. K. (2020) Motility-induced buckling and glassy dynamics regulate 3D transitions of bacterial monolayers. [Online]. Available at: https://arxiv.org/abs/2003.05618 (accessed 12.03.2024). (In English)
Tanaka, K., Shimakawa, K. (2021) Amorphous Chalcogenide Semiconductors and Related Materials. New York: Springer Publ., 300 p. (In English)
Trevors, J. T., van Elsas, D. J., Bej, A. K. (2013) The molecularly crowded cytoplasm of bacterial cells: Dividing cells contrasted with viable but non-culturable (VBNC) bacterial cells. Current Issues in Molecular Biology, 15, 1–6. https://doi.org/10.21775/cimb.015.001 (In English)
Yu, I., Mori, T., Ando, T. et al. (2016) Biomolecular interactions modulate macromolecular structure and dynamics in atomistic model of a bacterial cytoplasm. eLife, 5 (1), article 19274. https://doi.org/10.7554/eLife.19274 (In English)
Zallen, R. (1983) The physics of amorphous solids. New York: John Wiley and Sons Publ., 304 p. (In English)
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2024 Карлито Пинто, Коити Симакава
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
Автор предоставляет материалы на условиях публичной оферты и лицензии CC BY-NC 4.0. Эта лицензия позволяет неограниченному кругу лиц копировать и распространять материал на любом носителе и в любом формате, но с обязательным указанием авторства и только в некоммерческих целях. После публикации все статьи находятся в открытом доступе.
Авторы сохраняют авторские права на статью и могут использовать материалы опубликованной статьи при подготовке других публикаций, а также пользоваться печатными или электронными копиями статьи в научных, образовательных и иных целях. Право на номер журнала как составное произведение принадлежит издателю.
