研究大腸桿菌

據(jù)估計(jì)，微生物在人體中的數(shù)量超過了人類細(xì)胞的10比1，并且?guī)追N疾病已歸因于各種微生物群落內(nèi)的失衡。腸道微生物組內(nèi)的失衡與多種代謝和炎性疾病，癌癥甚至抑郁癥有關(guān)。設(shè)計(jì)可以長期共存的平衡生態(tài)系統(tǒng)的能力可能為合成生物學(xué)家和新的醫(yī)療保健方法帶來令人興奮的新可能性。Hasty小組正在進(jìn)行的研究可能有助于為有一天改造健康的合成微生物組奠定基礎(chǔ)，該微生物組可用于遞送活性化合物以治療各種代謝性疾病或疾病和腫瘤。

研究副校長桑德拉·布朗(Sandra Brown)表示：“將分子生物學(xué)和生物工程技術(shù)相結(jié)合，使發(fā)現(xiàn)具有改善世界各地人們健康的潛力。如果他們不合作，這一發(fā)現(xiàn)可能永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生。這是另一個(gè)證明了加州大學(xué)圣地亞哥分校的多學(xué)科研究的力量。”

細(xì)菌無處不在，不僅在浴室或廚房柜臺(tái)上，而且在我們體內(nèi)，包括在微生物群通常繁盛的腫瘤中。這些“小生態(tài)”可以把握癌癥藥物療法的關(guān)鍵，而更多地了解它們可以幫助開發(fā)新的挽救生命的療法。

當(dāng)同一系統(tǒng)中存在不同菌株的細(xì)菌時(shí)會(huì)發(fā)生什么?它們共存嗎?最-強(qiáng)者能生存嗎?在用剪刀石頭布做的微生物游戲中，加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校生物電路研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令人驚訝的答案。他們的發(fā)現(xiàn)標(biāo)題為“在大腸桿菌菌株之間非傳遞性非對(duì)稱相互作用中最弱的生存”，發(fā)表在《自然通訊》的最-新版中。

研究團(tuán)隊(duì)由生物工程和分子生物學(xué)教授Jeff Hasty組成;生物工程研究生Michael Liao和Arianna Miano;還有生物工程專業(yè)的本科生Chloe Nguyen。他們?cè)O(shè)計(jì)了三株大腸桿菌(Escherichia coli)，以使每種菌株都產(chǎn)生一種毒素，該毒素可以殺死另一株，就像剪刀石頭布一樣。

當(dāng)被問及實(shí)驗(yàn)如何進(jìn)行時(shí)，哈斯提評(píng)論說：“在合成生物學(xué)中，復(fù)雜的基因回路通常以在混合良好的液體培養(yǎng)物中生長的細(xì)菌為特征。但是，許多應(yīng)用涉及細(xì)胞在表面生長的限制。希望了解當(dāng)相互作用的物種在更接近細(xì)菌可能在人體中定居的環(huán)境中生長時(shí)，小型工程生態(tài)系統(tǒng)的行為。”

研究人員將這三個(gè)種群混合在一起，讓它們?cè)谝粋€(gè)盤上生長數(shù)周。當(dāng)他們回來查看時(shí)，他們注意到在多個(gè)實(shí)驗(yàn)中，相同的種群將占據(jù)整個(gè)表面，但并不是最-強(qiáng)的(毒素最-有效的菌株)。他們對(duì)產(chǎn)生這種結(jié)果的可能原因感到好奇，因此設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)來揭示游戲中隱藏的動(dòng)態(tài)。

有兩個(gè)假設(shè)：要么中等的人口(被稱為“最-強(qiáng)的敵人”，因?yàn)樽?強(qiáng)的人會(huì)攻擊它的壓力)將獲勝，或者最弱的人口將獲勝。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：最弱的人群始終接管板塊。

回到剪刀石頭布的比喻，如果我們假設(shè)大腸桿菌的“石頭”菌株具有最-強(qiáng)的毒素，它將迅速殺死“剪刀”菌株。由于剪刀應(yīng)變是唯-一能夠殺死“紙”應(yīng)變的應(yīng)變，所以紙應(yīng)變現(xiàn)在沒有敵人了。在一段時(shí)間內(nèi)可以自由地慢慢吃掉巖石應(yīng)變，而巖石應(yīng)變無法防御自己。

為了弄清楚這種現(xiàn)象背后的機(jī)理，研究人員還開發(fā)了一種數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型可以通過從各種各樣的模式和密度開始，來模擬三個(gè)種群之間的戰(zhàn)斗。該模型能夠顯示細(xì)菌在具有常見空間模式(例如條紋，孤立的簇和同心圓)的多種情況下的行為。只有當(dāng)應(yīng)變最初以同心環(huán)的形式分布且中間最-強(qiáng)時(shí)，最-強(qiáng)的應(yīng)變才有可能接管板。