当前焦点!当大肠杆菌菌株充当剪刀时 它不是存活下来的最强菌株

(资料图)

细菌无处不在，不仅在浴室或厨房的柜台里，而且在我们的身体里，包括通常微生物群落繁盛的肿瘤。这些“微生态”可以抓住癌症药物治疗的关键，多了解它们有助于开发新的救命疗法。

当同一系统中有不同的细菌菌株时会发生什么？它们共存吗？最强的能活下来吗？在用剪刀、石头和布进行的微生物游戏中，圣地亚哥加州大学生物电路研究所的研究人员找到了一个令人惊讶的答案。他们的发现名为“大肠杆菌菌株间非传递不对称相互作用中最弱的存活”，发表在最新版的《自然通讯》上。

研究团队由生物工程和分子生物学教授杰夫海斯特组成。生物工程研究生迈克尔廖和阿里安娜米亚诺；还有生物工程专业的本科生阮儿。他们设计了三种大肠杆菌菌株，这样每种菌株都能产生一种毒素，这种毒素可以杀死另一种菌株，就像剪刀和石头布一样。

当被问及如何进行实验时，海斯蒂评论道：“在合成生物学中，复杂的基因回路通常以细菌在混合良好的液体培养物中生长为特征。然而，许多应用涉及表面细胞生长的限制。我希望了解当相互作用的物种在更接近细菌可能在人体内定居的环境中生长时，小规模工程生态系统的行为。”

研究人员将三个种群混合在一起，让它们在一个盘子里生长几周。当他们回头看时，他们注意到在许多实验中，相同的种群会占据整个表面，但它不是最强的(毒素最有效的菌株)。他们对这一结果的可能原因感到好奇，于是设计了一个实验来揭示游戏中隐藏的动态。

有两种假设：要么中间人口(因为最强的人会攻击它的压力而被称为“最强的敌人”)会赢，要么最弱的人口会赢。他们的实验表明，令人惊讶的是，第二个假设是正确的：最弱的人总是接管盘子。

回到剪刀和石头布的比喻，如果我们假设大肠杆菌的“石头”菌株有最强的毒素，它会很快杀死“剪刀”菌株。因为剪刀应变是唯一能杀死“纸”应变的应变，所以纸应变现在没有敌人了。在一段时间内，你可以自由而缓慢地吃掉岩株，但岩株无法自卫。

为了找出这一现象背后的机制，研究人员还开发了一个数学模型，可以从各种模式和密度开始，模拟三个种群之间的战斗。该模型可以用常见的空间模式(如条纹、孤立簇和同心圆)显示细菌在各种情况下的行为。只有当应变最初以同心环的形式分布并且在中间最强时，最强的应变才有可能接管板。

据估计，人体内的微生物数量超过人体细胞数量10比1，有几种疾病被归因于各种微生物群落的不平衡。肠道菌群失调与多种代谢和炎症疾病、癌症甚至抑郁症有关。设计能够长期共存的平衡生态系统的能力可能会为合成生物学家和新的医疗保健方法带来令人兴奋的新可能性。海斯特团队正在进行的研究可能有助于为有朝一日改造健康的合成微生物群奠定基础，该微生物群可用于输送活性化合物来治疗各种代谢疾病或疾病和肿瘤。

研究副总裁桑德拉布朗(Sandra Brown)表示：“将分子生物学与生物工程技术相结合，使得发现有可能改善全世界人民的健康。如果他们不合作，这个发现可能永远不会发生。这是加州大学圣地亚哥分校多学科研究力量的另一个证明。”

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