細(xì)菌無(wú)處不在，不僅在浴室或廚房的柜臺(tái)里，而且在我們的身體里，包括通常微生物群落繁盛的腫瘤。這些“微生態(tài)”可以抓住癌癥藥物治療的關(guān)鍵，多了解它們有助于開(kāi)發(fā)新的救命療法。
當(dāng)同一系統(tǒng)中有不同的細(xì)菌菌株時(shí)會(huì)發(fā)生什么？它們共存嗎？最強(qiáng)的能活下來(lái)嗎？在用剪刀、石頭和布進(jìn)行的微生物游戲中，圣地亞哥加州大學(xué)生物電路研究所的研究人員找到了一個(gè)令人驚訝的答案。他們的發(fā)現(xiàn)名為“大腸桿菌菌株間非傳遞不對(duì)稱(chēng)相互作用中最弱的存活”，發(fā)表在最新版的《自然通訊》上。
研究團(tuán)隊(duì)由生物工程和分子生物學(xué)教授杰夫海斯特組成。生物工程研究生邁克爾廖和阿里安娜米亞諾；還有生物工程專(zhuān)業(yè)的本科生阮兒。他們?cè)O(shè)計(jì)了三種大腸桿菌菌株，這樣每種菌株都能產(chǎn)生一種毒素，這種毒素可以殺死另一種菌株，就像剪刀和石頭布一樣。
當(dāng)被問(wèn)及如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，海斯蒂評(píng)論道：“在合成生物學(xué)中，復(fù)雜的基因回路通常以細(xì)菌在混合良好的液體培養(yǎng)物中生長(zhǎng)為特征。然而，許多應(yīng)用涉及表面細(xì)胞生長(zhǎng)的限制。我希望了解當(dāng)相互作用的物種在更接近細(xì)菌可能在人體內(nèi)定居的環(huán)境中生長(zhǎng)時(shí)，小規(guī)模工程生態(tài)系統(tǒng)的行為?！?
研究人員將三個(gè)種群混合在一起，讓它們?cè)谝粋€(gè)盤(pán)子里生長(zhǎng)幾周。當(dāng)他們回頭看時(shí)，他們注意到在許多實(shí)驗(yàn)中，相同的種群會(huì)占據(jù)整個(gè)表面，但它不是最強(qiáng)的(毒素最有效的菌株)。他們對(duì)這一結(jié)果的可能原因感到好奇，于是設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)揭示游戲中隱藏的動(dòng)態(tài)。
有兩種假設(shè)：要么中間人口(因?yàn)樽顝?qiáng)的人會(huì)攻擊它的壓力而被稱(chēng)為“最強(qiáng)的敵人”)會(huì)贏，要么最弱的人口會(huì)贏。他們的實(shí)驗(yàn)表明，令人驚訝的是，第二個(gè)假設(shè)是正確的：最弱的人總是接管盤(pán)子。
回到剪刀和石頭布的比喻，如果我們假設(shè)大腸桿菌的“石頭”菌株有最強(qiáng)的毒素，它會(huì)很快殺死“剪刀”菌株。因?yàn)榧舻稇?yīng)變是唯一能殺死“紙”應(yīng)變的應(yīng)變，所以紙應(yīng)變現(xiàn)在沒(méi)有敵人了。在一段時(shí)間內(nèi)，你可以自由而緩慢地吃掉巖株，但巖株無(wú)法自衛(wèi)。
為了找出這一現(xiàn)象背后的機(jī)制，研究人員還開(kāi)發(fā)了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，可以從各種模式和密度開(kāi)始，模擬三個(gè)種群之間的戰(zhàn)斗。該模型可以用常見(jiàn)的空間模式(如條紋、孤立簇和同心圓)顯示細(xì)菌在各種情況下的行為。只有當(dāng)應(yīng)變最初以同心環(huán)的形式分布并且在中間最強(qiáng)時(shí)，最強(qiáng)的應(yīng)變才有可能接管板。
據(jù)估計(jì)，人體內(nèi)的微生物數(shù)量超過(guò)人體細(xì)胞數(shù)量10比1，有幾種疾病被歸因于各種微生物群落的不平衡。腸道菌群失調(diào)與多種代謝和炎癥疾病、癌癥甚至抑郁癥有關(guān)。設(shè)計(jì)能夠長(zhǎng)期共存的平衡生態(tài)系統(tǒng)的能力可能會(huì)為合成生物學(xué)家和新的醫(yī)療保健方法帶來(lái)令人興奮的新可能性。海斯特團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行的研究可能有助于為有朝一日改造健康的合成微生物群奠定基礎(chǔ)，該微生物群可用于輸送活性化合物來(lái)治療各種代謝疾病或疾病和腫瘤。
研究副總裁桑德拉布朗(Sandra Brown)表示：“將分子生物學(xué)與生物工程技術(shù)相結(jié)合，使得發(fā)現(xiàn)有可能改善全世界人民的健康。如果他們不合作，這個(gè)發(fā)現(xiàn)可能永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生。這是加州大學(xué)圣地亞哥分校多學(xué)科研究力量的另一個(gè)證明。”
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