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作为一类简单的生物，细菌在我们眼中往往与复杂的结构绝缘。毕竟，不要说高等的动植物，就连真菌界都有黏菌这样具有集体意识的智慧生命。而细菌群落里，有的似乎只有结构简单的微小个体。然而，最新一期《细胞》杂志的一项新研究，或许会改变你对于细菌的看法。
加州大学圣地亚哥分校Gürol Süel教授带领的跨国研究团队发现，由细菌构成的生物膜可以比我们想象得更加先进。这些细菌能够聚集形成非常复杂的同心圆图案，这是以往只有在动植物这样的高等生物中才能观察到的现象。
▲营养缺乏时，枯草芽孢杆菌构成的生物膜形成了同心圆的图案（图片来源：Kwang-Tao Chou）
所谓生物膜，就是微生物聚集在一起，形成的群落。从厨房的角落，到你牙齿表面的牙菌斑，生物膜在现实世界中可以说是无处不在。之前的研究已经发现，细菌的生物膜可能比你想象得更加复杂、聪明——它们可以借助复杂的系统相互交流；也可以拥有“记忆力”，能记住几个小时前的光刺激……而最新研究关注的，则是生物膜如何应对营养的缺失。研究团队收集了常见于土壤中的枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis），在培养皿中培养、检验由其构成的生物膜。结果，研究者观察到了有趣的现象。枯草芽孢杆菌的生长需要氮源，而当培养皿中缺少可利用的氮，生物膜就会长出类似于同心圆的图案，这与动物胚胎发育的分节以及树木的年轮生长类似，但唯独不是人们熟悉的生物膜的形态。▲生物膜分节、形成同心圆的过程（图片来源：Kwang-Tao Chou）这种以往只在高等生物中观察到的复杂图案，是如何出现在细菌身上的？研究团队借助数学模型给出了解释。当生物膜向外扩张并消耗营养，在营养耗尽的地方，特定的细菌会被“冻结”，通过孢子形成的方式休眠，来应对营养缺乏的压力。这时，营养缺乏的情况就如同一道波，在生物膜的细胞之间传递。由于并非所有细菌都拥有能减轻压力的基因、能通过孢子形成的方式来适应，因此不同细菌表现出的差异，将产生了我们看见的同心圆图案。
▲面对压力的细菌（绿色）与孢子状态的细菌（紫色）（图片来源：Kwang-Tao Chou）值得注意的是，这个过程与遗传学家此前提出的“时钟与波前”模型一致。这个模型原本是用于解释动物胚胎发育的过程：胚胎的“时钟”指示了不同阶段的产生。而在这项实验中，相对低等的细菌也能用同样的模型来解释：原本聚作一团的细菌也因为状态的不同而出现分节。“我们看到，生物膜比我们认为的更加复杂，” Süel教授表示，“从生物学的角度，我们的结果表明，细胞在比预期更早的时间，就能在发育时形成特定的图案。显然，能够在时间和空间上为自身分节的不仅有脊椎动物和植物，这样的行为或许可以追溯到10亿年前。”
▲生物膜通过“时钟与波前”模型，形成同心圆结构的示意图（图片来源：参考资料[1]）这项发现不仅首次展示了细菌构成的复杂图案，还将对多个研究领域产生影响。由于生物膜在我们的生活中非常常见，它们在医学、食品工业甚至军事领域都有着应用前景。此外，由于生物膜系统能够验证简单的细胞系统如何自组织形成复杂图案，这对于在发育生物学领域研究时钟和波形机制对脊椎动物的影响，也将起到推动作用。“我们可以看见，细菌群落并不是一团细菌这么简单，” Süel教授说，“对于那些在脊椎动物和植物系统中难以验证的问题，我们可以利用更简单的细菌来设计实验，从而为发育的研究提供新视角。”[1] Kwang-Tao Chou et al., A segmentation clock patterns cellular differentiation in a bacterial biofilm. Cell (2022) DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.12.001[2] ‘Simple’ bacteria found to organize in elaborate patterns. Retrieved Jan. 6, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/939243[3] Bacteria form complex structures like those seen in animals. Retrieved Jan. 6, 2022 from https://www.newscientist.com/article/2303605-bacteria-form-complex-structures-like-those-seen-in-animals/本文来自药明康德内容微信团队，欢迎转发到朋友圈，谢绝转载到其他平台。如有开设白名单需求，请在“学术经纬”公众号主页回复“转载”获取转载须知。其他合作需求，请联系wuxi_media@wuxiapptec.com。
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