排好队,一起走 --从细菌无序的个体运动到有序的群体迁移

2021
11/08

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生物谷
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自然界中生活着大量的群居生物,为了找到更丰富食物与更适宜的环境,他们往往需要进行群体迁移。这就要求群体中无论男女老少、体质好坏都要保持同样的速度迁移,以防落单致险。然而不同的个体总会在行动能力、导航能力等方面存在差异,因此一种稳健的速度协调机制对于一个群体而言至关重要。具有智慧的生物尚且可以利用语言命令等方式在个体之间传递信息。但对于细菌这种单细胞生物来说,他们可用的信息传递方式极为有限,是什么样的机制可以保证不同行动能力的细菌集体迁移呢?

11月2日,来自中国科学院深圳先进院合成生物学研究所傅雄飞课题组的研究人员发表在eLife杂志的文章(1),揭示了细菌通过有序队列实现集群迁移的协调机制。同时,该论文被遴选为“eLife digest”科学文摘评述报道(https://elifesciences.org/digests/67316/all-together-now)。

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文章链接:https://elifesciences.org/articles/67316

细菌作为最小的可以独立活动的生命体,可以转动身上的鞭毛,在液体中游动。同时他们还能通过不定时的身体翻滚,随机改变游动的方向。在一些化学物质的吸引下(我们通常把具有吸引能力的化学物质叫做趋化物),细菌可以通过调节身体翻滚的频率让自己在各个方向随机游动的同时慢慢靠近趋化物浓度较高的方向。然而不同的细菌个体对于趋化物的敏感度各不相同,有的可以更快地聚集到高浓度区,而有的则要慢一些(2)。

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图 |  细菌的随机游动与趋化运动能力差异示意图。  

来源:科研团队蔡卓苒、吴蔚。

当细菌组成一个群体聚集在一起的时候,他们会一起消耗环境中的趋化物。随着本地趋化物的逐渐消耗,他们便会依靠趋化运动能力朝着还没有去过的领地游动,享受那里更高浓度的趋化物。有趣的是,在这样的迁移群体中,对趋化物浓度不敏感的细菌虽然处在群体的尾端,但是却没有被落下,而是紧紧地跟随着敏感的细菌,形成了一个紧凑的有序队列,以同样的速度共同运动。之前,傅雄飞实验室与耶鲁大学Thierry Emonet实验室合作研究发现了这样的有序队列对于细菌的集群迁移来说至关重要 (3)。可是,细菌个体运动总是在不断改变游动方向,这样的有序群体行进队列是如何从无序的个体随机运动中涌现出来的呢?

为了回答这个问题,研究人员对每一个细菌的运动轨迹进行了追踪与观测。他们发现每一个细菌都在群体中做往复运动:当细菌落在群体后面时,他们就会更努力地向前游动;一旦他们游在了群体的前端,则像失去了导航一样四处乱游,直到落在群体后端,又再一次奋力向前。这样的运动行为,就好像有一种力量在后面推着他们往前走似的,落在后面就推一把,跑到前面就不管了。

经过一系列的模型推演,研究人员发现这种后面强前面弱的‘力量’的确存在,而它恰恰就来源于细菌群体消耗趋化物所产生的浓度梯度总是后面高前面低。因此当细菌落在群体后端时会受到趋化物更大的吸引力,使得细菌更加努力地向前游动。而当他们游到群体前端时,因为各处的趋化物浓度都差不多,反而失去了继续前进的动力。

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图 |  群体中不同空间位置的细菌运动行为特征示意图。 

来源:科研团队蔡卓苒、吴蔚

细菌群体迁移时存在这样后面强前面弱的‘推动力’,对那些不太敏感的细菌来说是一个巨大的利好。因为每当他们被那些对趋化物敏感的同伴落在后面时,他们就会受到更大的推动力,驱使他们向前赶。而那些游在前面的个体反而在高浓度的趋化物‘舒适’环境中迷失了继续游动的方向。当然,也正是因为这个机制,不同行动能力的个体才能在同一个群体中协调地共存,以同样的平均速率向前迁移。进一步地,研究人员利用合成生物学手段对细菌的敏感度进行了人工调控,成功地验证了这个协调机制的作用。

这个研究为我们展示了一种简单而稳健的群体协调机制:只要在群体中建立一个后面强前面弱的推动作用,就可以保证不同行动能力的个体以同样的速率前进。它不仅可以解释许多生命体的群体迁移行为,还对人类社会更复杂的群体协作提供了参考。

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 图 |  细菌形成有序队列示意图。 

来源:科研团队陈茜、蔡卓苒、吴蔚。

中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所的助理研究员白阳与博士生何彩云为论文共同第一作者,傅雄飞研究员为论文通讯作者。相关工作得到了中国科技部重点研发计划专项基金、国家自然科学基金、中国科学院B类先导培育专项、中国科学院定量工程生物学创新交叉团队、中国科学院定量工程生物学重点实验室、广东省合成基因组重点实验室、深圳合成生物学创新研究院的经费支持。

参考资料:

[1] Bai, Y., He, C., Chu, P., Long, J., Li, X., & Fu, X. (2021). Spatial modulation of individual behaviors enables an ordered structure of diverse phenotypes during bacterial group migration. eLife 2021;10:e67316

[2]      Dufour, Y. S., Fu, X., Hernandez-Nunez, L., & Emonet, T. (2014). Limits of Feedback Control in Bacterial Chemotaxis. PLoS Computational Biology, 10(6).

[3]      Fu, X., Kato, S., Long, J., Mattingly, H. H., He, C., Vural, D. C., Zucker, S. W., & Emonet, T. (2018). Spatial self-organization resolves conflicts between individuality and collective migration. Nature Communications, 9(1).

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关键词:
细菌,群体,迁移,化物,个体

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