科學家發現“簡單”的細菌以令人驚訝的複雜模式組織起來

根據一項新研究,一種新發現的遺傳機制使細菌細胞群落能夠組織成令人驚訝的複雜部分,揭示了與植物和動物發展方式的相似性。在過去的幾年裡,加州大學聖迭戈分校生物學家Gürol Süel實驗室的研究發現了一系列由生活在一起的細菌群落表現出的顯著特徵,這些細菌群落被稱為生物膜

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生物膜在生活世界中很普遍,棲息在下水道管道、廚房櫃檯,甚至是我們的牙齒表面。之前的一項研究表明,這些生物膜採用了複雜的系統來“相互溝通”,而另一項研究則證明生物膜具有強大的記憶能力。

Süel的實驗室與斯坦福大學和西班牙龐培法布拉大學的研究人員一起,現在發現了生物膜的一個特點,揭示了這些社區比以前認為的要先進得多。生物科學研究生Kwang-Tao Chou、前生物科學研究生Daisy Lee、Süel和他們的同事發現,生物膜細胞被組織成精心設計的模式,這一特徵以前只與更高級別的生物體如植物和動物有關。這些發現描述了八年研究的成果,於2022年1月6日發表在《細胞》雜誌上。

“我們看到生物膜比我們想象的要複雜得多,”加州大學聖迭戈分校生物科學部分子生物學科教授Süel說,他隸屬於聖地亞哥系統生物學中心、生物電路研究所和微生物組創新中心。“從生物學的角度來看,我們的結果表明,發育過程中的細胞模式化的概念比以前認為的要古老得多。顯然,細胞在空間和時間上自我分割的能力不僅僅是隨着植物和脊椎動物的出現而出現,而是可能追溯到十幾億年前。”

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生物膜群落是由不同類型的細胞組成的。科學家們以前沒有想到這些不同的細胞可以被組織成規範的複雜模式。在這項新研究中,科學家們開發了實驗和數學模型,揭示了“時鐘和波前”機制的遺傳基礎,以前只在從植物到果蠅到人類等高度進化的生物體中看到過。隨着生物膜的擴張和營養物質的消耗,營養物質耗盡的”波浪”在細菌群落內的細胞間移動,並將每個細胞內的分子鐘“凍結”在特定的時間和位置,形成一個由不同細胞類型的重複片段組成的複雜複合模式。

研究人員的突破是能夠確定生物膜產生生物膜社區範圍內基因表達模式同心環的能力所依據的遺傳迴路。然後,研究人員能夠進行模型預測,顯示生物膜可以內在地產生許多片段。

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“我們的發現表明,細菌生物膜採用了一種迄今為止被認為是脊椎動物和植物系統獨有的發育模式機制,”研究作者在《細胞》論文中指出。

該研究的發現對許多研究領域都有影響。由於生物膜在我們的生活中無處不在,它們在從醫學到食品工業甚至軍事的應用中都備受關注。生物膜作為有能力測試簡單的細胞系統如何將自己組織成複雜的模式的系統,在發育生物學中可以用來研究在脊椎動物中發揮作用的“時鐘和波前”機制的具體方面,就是一個例子。

Süel說:“我們可以看到,細菌群落不僅僅是一團細胞,”他設想將提供細菌的研究合作作為研究發育模式的新範式。“擁有一個細菌系統使我們能夠提供一些在脊椎動物和植物系統中難以獲得的答案,因為細菌提供了更多實驗性的系統,可以為發育領域提供新的見解。”