當細菌與細菌相遇會怎樣?論藝術家的誕生

孜然實驗室 發佈 2020-01-15T01:45:50+00:00

LevTsimring說:「細菌形態的形成是過去幾十年來研究的一個活躍領域,但是,大多數實驗室研究和理論模型都集中在單菌株菌落的動力學上。自然棲息地中的大多數細菌都是活著的在多菌株群落中,研究人員終於開始尋找控制其同居的機制,雖然已經確定了多種物種間交流與合作的生化機制,但我們發


微生物群落遍布地球上的每個生態系統,從土壤到河流再到人類的腸道。儘管實驗室中經常存在單克隆培養物,但在現實世界中,許多不同的微生物物種都居住在同一空間中。加利福尼亞大學聖地亞哥分校的研究人員發現,當某些微生物配對時,就會出現令人驚嘆的花卉圖案。

在最近一期eLife上發表的一篇論文中,由研究科學家兼BCI副主任Lev Tsimring領導的加州大學聖地亞哥分校生物電路研究所(BCI)和物理系的一組研究人員報告說,當非運動型大腸桿菌(大腸埃希氏菌)與能動的巴氏不動桿菌(不動桿菌)一起在瓊脂表面上放置,大腸桿菌跟隨不斷擴大的巴氏菌群的前端前進。

瓊脂不僅為細菌提供食物,而且使大腸桿菌無法移動。另一方面,巴氏不動桿菌可以使用稱為菌毛的細腿輕易地爬過瓊脂。因此,一小滴純凈的大腸桿菌幾乎不會在24小時內散布開來,而一滴純凈的巴氏不動桿菌會覆蓋培養皿的整個區域。

然而,當大腸桿菌和巴氏不動桿菌在初始液滴混合在一起,兩種菌株蓬勃發展,不能動的大腸桿菌緊鉤住移動巴氏不動桿菌而打了便車。然而,令研究人員最驚訝的是在24小時內不斷增長的菌落中出現的複雜的花朵狀圖案。

「我們實際上是將這兩種細菌混合在一起用於另一個項目,但是有一天早上,我在皮氏培養皿中發現了一種神秘的花朵狀圖案,一天前我在其中放置了一滴混合物。圖案的美感觸動了我,開始懷疑細菌細胞如何相互作用才能成為藝術家。」Liyang Xiong物理系的博士,是這項研究的主要作者。

為了揭示花朵圖案是如何形成的,Xiong等人開發了一種數學模型,該模型考慮了兩個菌株的不同物理特性,主要是它們的生長速率,運動性和對瓊脂表面的摩擦的差異。理論和計算分析表明,模式形成起源於菌落的擴展邊界,由於在此積累的大腸桿菌施加的阻力,使該模式變得不穩定。

在大腸桿菌堆積較少的區域,摩擦也較小,從而允許邊界更快地推出。在更多的大腸桿菌積累和更多摩擦的區域,邊界停滯不前。這就是創造花朵「花瓣」的原因。

進一步的分析表明,當活動細菌與具有足夠高的生長速率和/或有摩擦阻力的非活動菌株混合時,預計會形成這種類型的模式,這可能對研究正在生長的生物膜具有重要意義。

生物膜是相互粘附並粘附於表面的微生物群落,包括細菌和真菌,形成難以分解的堅固基質。常見的例子包括牙菌斑和池塘浮渣。它們還在起搏器和導管等醫療設備中生長。了解非運動性細菌如何「粘在」運動性細菌上,可以深入了解生物膜的形成方式以及如何消除它們。

Lev Tsimring說:「細菌形態的形成是過去幾十年來研究的一個活躍領域,但是,大多數實驗室研究和理論模型都集中在單菌株菌落的動力學上。自然棲息地中的大多數細菌都是活著的在多菌株群落中,研究人員終於開始尋找控制其同居的機制,雖然已經確定了多種物種間交流與合作的生化機制,但我們發現,純粹的物理相互作用機制可能會導致令人驚訝的複雜性。」

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