中國(guó)工業(yè)報(bào) 毛志亮 通訊員 丁寧寧

　　11月2日，來自中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)院合成生物學(xué)研究所傅雄飛課題組的研究人員發(fā)表在eLife雜志的文章，揭示了細(xì)菌通過有序隊(duì)列實(shí)現(xiàn)集群遷移的協(xié)調(diào)機(jī)制。同時(shí)，該論文被遴選為“eLife digest”科學(xué)文摘評(píng)述報(bào)道。中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所的助理研究員白陽與博士生何彩云為論文共同第一作者，傅雄飛研究員為論文通訊作者。

　　論文上線截圖

　　自然界中生活著大量的群居生物，為了找到更豐富食物與更適宜的環(huán)境，他們往往需要進(jìn)行群體遷移。這就要求群體中無論男女老少、體質(zhì)好壞都要保持同樣的速度遷移，以防落單致險(xiǎn)。然而不同的個(gè)體總會(huì)在行動(dòng)能力、導(dǎo)航能力等方面存在差異，因此一種穩(wěn)健的速度協(xié)調(diào)機(jī)制對(duì)于一個(gè)群體而言至關(guān)重要。具有智慧的生物尚且可以利用語言命令等方式在個(gè)體之間傳遞信息。但對(duì)于細(xì)菌這種單細(xì)胞生物來說，他們可用的信息傳遞方式極為有限，是什么樣的機(jī)制可以保證不同行動(dòng)能力的細(xì)菌集體遷移呢？

　　細(xì)菌作為最小的可以獨(dú)立活動(dòng)的生命體，可以轉(zhuǎn)動(dòng)身上的鞭毛，在液體中游動(dòng)。同時(shí)他們還能通過不定時(shí)的身體翻滾，隨機(jī)改變游動(dòng)的方向。在一些化學(xué)物質(zhì)的吸引下（我們通常把具有吸引能力的化學(xué)物質(zhì)叫做趨化物），細(xì)菌可以通過調(diào)節(jié)身體翻滾的頻率讓自己在各個(gè)方向隨機(jī)游動(dòng)的同時(shí)慢慢靠近趨化物濃度較高的方向。然而不同的細(xì)菌個(gè)體對(duì)于趨化物的敏感度各不相同，有的可以更快地聚集到高濃度區(qū)，而有的則要慢一些。

　　細(xì)菌的隨機(jī)游動(dòng)與趨化運(yùn)動(dòng)能力差異示意圖

　　 科研團(tuán)隊(duì)蔡卓苒、吳蔚供圖

　　當(dāng)細(xì)菌組成一個(gè)群體聚集在一起的時(shí)候，他們會(huì)一起消耗環(huán)境中的趨化物。隨著本地趨化物的逐漸消耗，他們便會(huì)依靠趨化運(yùn)動(dòng)能力朝著還沒有去過的領(lǐng)地游動(dòng)，享受那里更高濃度的趨化物。有趣的是，在這樣的遷移群體中，對(duì)趨化物濃度不敏感的細(xì)菌雖然處在群體的尾端，但是卻沒有被落下，而是緊緊地跟隨著敏感的細(xì)菌，形成了一個(gè)緊湊的有序隊(duì)列，以同樣的速度共同運(yùn)動(dòng)。之前，傅雄飛實(shí)驗(yàn)室與耶魯大學(xué)Thierry Emonet實(shí)驗(yàn)室合作研究發(fā)現(xiàn)了這樣的有序隊(duì)列對(duì)于細(xì)菌的集群遷移來說至關(guān)重要。可是，細(xì)菌個(gè)體運(yùn)動(dòng)總是在不斷改變游動(dòng)方向，這樣的有序群體行進(jìn)隊(duì)列是如何從無序的個(gè)體隨機(jī)運(yùn)動(dòng)中涌現(xiàn)出來的呢？

　　為了回答這個(gè)問題，研究人員對(duì)每一個(gè)細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了追蹤與觀測(cè)。他們發(fā)現(xiàn)每一個(gè)細(xì)菌都在群體中做往復(fù)運(yùn)動(dòng)：當(dāng)細(xì)菌落在群體后面時(shí)，他們就會(huì)更努力地向前游動(dòng)；一旦他們游在了群體的前端，則像失去了導(dǎo)航一樣四處亂游，直到落在群體后端，又再一次奮力向前。這樣的運(yùn)動(dòng)行為，就好像有一種力量在后面推著他們往前走似的，落在后面就推一把，跑到前面就不管了。

　　經(jīng)過一系列的模型推演，研究人員發(fā)現(xiàn)這種后面強(qiáng)前面弱的“力量”的確存在，而它恰恰就來源于細(xì)菌群體消耗趨化物所產(chǎn)生的濃度梯度總是后面高前面低。因此當(dāng)細(xì)菌落在群體后端時(shí)會(huì)受到趨化物更大的吸引力，使得細(xì)菌更加努力地向前游動(dòng)。而當(dāng)他們游到群體前端時(shí)，因?yàn)楦魈幍内吇餄舛榷疾畈欢啵炊チ死^續(xù)前進(jìn)的動(dòng)力。

　　群體中不同空間位置的細(xì)菌運(yùn)動(dòng)行為特征示意圖 科研團(tuán)隊(duì)蔡卓苒、吳蔚供圖

　　細(xì)菌群體遷移時(shí)存在這樣后面強(qiáng)前面弱的“推動(dòng)力”，對(duì)那些不太敏感的細(xì)菌來說是一個(gè)巨大的利好。因?yàn)槊慨?dāng)他們被那些對(duì)趨化物敏感的同伴落在后面時(shí)，他們就會(huì)受到更大的推動(dòng)力，驅(qū)使他們向前趕。而那些游在前面的個(gè)體反而在高濃度的趨化物“舒適”環(huán)境中迷失了繼續(xù)游動(dòng)的方向。當(dāng)然，也正是因?yàn)檫@個(gè)機(jī)制，不同行動(dòng)能力的個(gè)體才能在同一個(gè)群體中協(xié)調(diào)地共存，以同樣的平均速率向前遷移。進(jìn)一步地，研究人員利用合成生物學(xué)手段對(duì)細(xì)菌的敏感度進(jìn)行了人工調(diào)控，成功地驗(yàn)證了這個(gè)協(xié)調(diào)機(jī)制的作用。

　細(xì)菌形成有序隊(duì)列示意圖 科研團(tuán)隊(duì)陳茜、蔡卓苒、吳蔚供圖

　　傅雄飛團(tuán)隊(duì)表示，這個(gè)研究為我們展示了一種簡(jiǎn)單而穩(wěn)健的群體協(xié)調(diào)機(jī)制：只要在群體中建立一個(gè)后面強(qiáng)前面弱的推動(dòng)作用，就可以保證不同行動(dòng)能力的個(gè)體以同樣的速率前進(jìn)。它不僅可以解釋許多生命體的群體遷移行為，還對(duì)人類社會(huì)更復(fù)雜的群體協(xié)作提供了參考。