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《细胞》:颠覆传统认知!细菌生长模式远比想象中复杂

作为一类简单的生物,细菌在我们眼中往往与复杂的结构绝缘。毕竟,不要说高等的动植物,就连真菌界都有黏菌这样具有集体意识的智慧生命。而细菌群落里,有的似乎只有结构简单的微小个体。

然而,最新一期《细胞》杂志的一项新研究,或许会改变你对于细菌的看法。

加州大学圣地亚哥分校Gürol Süel教授带领的跨国研究团队发现,由细菌构成的生物膜可以比我们想象得更加先进。这些细菌能够聚集形成非常复杂的同心圆图案,这是以往只有在动植物这样的高等生物中才能观察到的现象。

所谓生物膜,就是微生物聚集在一起,形成的群落。从厨房的角落,到你牙齿表面的牙菌斑,生物膜在现实世界中可以说是无处不在。之前的研究已经发现,细菌的生物膜可能比你想象得更加复杂、聪明――它们可以借助复杂的系统相互交流;也可以拥有“记忆力”,能记住几个小时前的光刺激……

而最新研究关注的,则是生物膜如何应对营养的缺失。研究团队收集了常见于土壤中的枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis),在培养皿中培养、检验由其构成的生物膜。

结果,研究者观察到了有趣的现象。枯草芽孢杆菌的生长需要氮源,而当培养皿中缺少可利用的氮,生物膜就会长出类似于同心圆的图案,这与动物胚胎发育的分节以及树木的年轮生长类似,但唯独不是人们熟悉的生物膜的形态。

▲生物膜分节、形成同心圆的过程(图片来源:Kwang-Tao Chou)

这种以往只在高等生物中观察到的复杂图案,是如何出现在细菌身上的?研究团队借助数学模型给出了解释。

当生物膜向外扩张并消耗营养,在营养耗尽的地方,特定的细菌会被“冻结”,通过孢子形成的方式休眠,来应对营养缺乏的压力。这时,营养缺乏的情况就如同一道波,在生物膜的细胞之间传递。由于并非所有细菌都拥有能减轻压力的基因、能通过孢子形成的方式来适应,因此不同细菌表现出的差异,将产生了我们看见的同心圆图案。

值得注意的是,这个过程与遗传学家此前提出的“时钟与波前”模型一致。这个模型原本是用于解释动物胚胎发育的过程:胚胎的“时钟”指示了不同阶段的产生。而在这项实验中,相对低等的细菌也能用同样的模型来解释:原本聚作一团的细菌也因为状态的不同而出现分节。

“我们看到,生物膜比我们认为的更加复杂,” Süel教授表示,“从生物学的角度,我们的结果表明,细胞在比预期更早的时间,就能在发育时形成特定的图案。显然,能够在时间和空间上为自身分节的不仅有脊椎动物和植物,这样的行为或许可以追溯到10亿年前。”

这项发现不仅首次展示了细菌构成的复杂图案,还将对多个研究领域产生影响。由于生物膜在我们的生活中非常常见,它们在医学、食品工业甚至军事领域都有着应用前景。此外,由于生物膜系统能够验证简单的细胞系统如何自组织形成复杂图案,这对于在发育生物学领域研究时钟和波形机制对脊椎动物的影响,也将起到推动作用。

“我们可以看见,细菌群落并不是一团细菌这么简单,” Süel教授说,“对于那些在脊椎动物和植物系统中难以验证的问题,我们可以利用更简单的细菌来设计实验,从而为发育的研究提供新视角。”

参考资料:

[1] Kwang-Tao Chou et al。,A segmentation clock patterns cellular differentiation in a bacterial biofilm。Cell(2022)DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.12.001

[2] ‘Simple’ bacteria found to organize in elaborate patterns。 Retrieved Jan。 6, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/939243

[3]Bacteria form complex structures like those seen in animals。 Retrieved Jan。 6, 2022 fromhttps://www.newscientist.com/article/2303605-bacteria-form-complex-structures-like-those-seen-in-animals/

本文来自药明康德