科学家发现“简单”的细菌以令人惊讶的复杂模式组织起来

根据一项新研究,一种新发现的遗传机制使细菌细胞群落能够组织成令人惊讶的复杂部分,揭示了与植物和动物发展方式的相似性。在过去的几年里,加州大学圣迭戈分校生物学家Gürol Süel实验室的研究发现了一系列由生活在一起的细菌群落表现出的显著特征,这些细菌群落被称为生物膜。

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生物膜在生活世界中很普遍,栖息在下水道管道、厨房柜台,甚至是我们的牙齿表面。之前的一项研究表明,这些生物膜采用了复杂的系统来“相互沟通”,而另一项研究则证明生物膜具有强大的记忆能力。

Süel的实验室与斯坦福大学和西班牙庞培法布拉大学的研究人员一起,现在发现了生物膜的一个特点,揭示了这些社区比以前认为的要先进得多。生物科学研究生Kwang-Tao Chou、前生物科学研究生Daisy Lee、Süel和他们的同事发现,生物膜细胞被组织成精心设计的模式,这一特征以前只与更高级别的生物体如植物和动物有关。这些发现描述了八年研究的成果,于2022年1月6日发表在《细胞》杂志上。

“我们看到生物膜比我们想象的要复杂得多,”加州大学圣迭戈分校生物科学部分子生物学科教授Süel说,他隶属于圣地亚哥系统生物学中心、生物电路研究所和微生物组创新中心。“从生物学的角度来看,我们的结果表明,发育过程中的细胞模式化的概念比以前认为的要古老得多。显然,细胞在空间和时间上自我分割的能力不仅仅是随着植物和脊椎动物的出现而出现,而是可能追溯到十几亿年前。”

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生物膜群落是由不同类型的细胞组成的。科学家们以前没有想到这些不同的细胞可以被组织成规范的复杂模式。在这项新研究中,科学家们开发了实验和数学模型,揭示了“时钟和波前”机制的遗传基础,以前只在从植物到果蝇到人类等高度进化的生物体中看到过。随着生物膜的扩张和营养物质的消耗,营养物质耗尽的"波浪"在细菌群落内的细胞间移动,并将每个细胞内的分子钟“冻结”在特定的时间和位置,形成一个由不同细胞类型的重复片段组成的复杂复合模式。

研究人员的突破是能够确定生物膜产生生物膜社区范围内基因表达模式同心环的能力所依据的遗传回路。然后,研究人员能够进行模型预测,显示生物膜可以内在地产生许多片段。

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“我们的发现表明,细菌生物膜采用了一种迄今为止被认为是脊椎动物和植物系统独有的发育模式机制,”研究作者在《细胞》论文中指出。

该研究的发现对许多研究领域都有影响。由于生物膜在我们的生活中无处不在,它们在从医学到食品工业甚至军事的应用中都备受关注。生物膜作为有能力测试简单的细胞系统如何将自己组织成复杂的模式的系统,在发育生物学中可以用来研究在脊椎动物中发挥作用的“时钟和波前”机制的具体方面,就是一个例子。

Süel说:“我们可以看到,细菌群落不仅仅是一团细胞,”他设想将提供细菌的研究合作作为研究发育模式的新范式。“拥有一个细菌系统使我们能够提供一些在脊椎动物和植物系统中难以获得的答案,因为细菌提供了更多实验性的系统,可以为发育领域提供新的见解。”

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