Cell：揭示简单的细菌群落可以组装成复杂的结构模式

2022年1月9日讯/生物谷BIOON/---在过去的几年里，美国加州大学圣地亚哥分校生物学家Gürol Süel及其研究团队发现了一系列由生活在一起的形成生物膜（biofilm）的细菌群落表现出来的显著特征。生物膜在现实世界中很普遍，存在于下水道、厨房柜台甚至我们的牙齿表面。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。

如今，在一项新的研究中，Süel团队与来自美国斯坦福大学和西班牙庞培法布拉大学的研究人员一起发现了生物膜的一种新特点，揭示了这些细菌群落比以前认为的要先进得多。他们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如植物和动物有关。这些发现是他们八年研究的成果。相关研究结果发表在2022年1月6日的Cell期刊上，论文标题为“A segmentation clock patterns cellular differentiation in a bacterial biofilm”。

Süel说，“我们看到生物膜比我们想象的要复杂得多。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（cell patterning）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区的能力不仅仅是随着植物和脊椎动物的出现而出现的，而是可能追溯到十几亿年前。”

图片来自Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2021.12.001。

生物膜群落是由不同类型的细菌细胞组成的。科学家们以前没有想到这些不同的细菌细胞可以被组织成有规则的复杂模式。在这项新的研究中，这些作者开发了实验和数学模型，揭示了“时钟和波形（clock and waveform）”机制的遗传基础，这种机制以前只在从植物到果蝇到人类等高度进化的生物中看到过。随着生物膜的扩张和营养物的消耗，营养物耗尽的“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，从而形成一种由不同细胞类型的重复区域组成的复杂复合模式。

这些作者取得的突破是能够确定生物膜产生生物膜群落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，他们能够进行模型预测，显示生物膜可以内在地产生许多区域。他们在这篇论文中指出，“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所独有的发育模式机制。”

这项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孔不入，它们在从医学到食品工业，甚至军事方面的应用都很有趣。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形机制的具体方面。

Süel说，“我们可以看到，细菌群落不仅仅是一团细胞。拥有一种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，因为细菌提供了更容易在实验中获得的系统，可以为发育领域提供新的见解。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Kwang-Tao Chou et al. A segmentation clock patterns cellular differentiation in a bacterial biofilm. Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2021.12.001.