令人惊叹的延时视频显示细菌文化中发现了惊人的美丽

当在24小时的时间内共同生长时，大肠杆菌和A. baylyi会形成复杂的花朵状图案。

微生物群落遍布地球上的每个生态系统，从土壤到河流再到人类的肠道。尽管实验室中经常存在单克隆培养物，但在现实世界中，许多不同的微生物物种却生活在同一空间中。加利福尼亚大学圣地亚哥分校的研究人员发现，当某些微生物配对时，就会出现令人惊叹的花卉图案。

在最近一期的《 eLife》上发表的一篇论文中，加州大学圣地亚哥分校生物电路研究所（BCI）和物理系的一组研究人员，由研究科学家和BCI副主任列夫·辛辛格（Lev Tsimring）领导，报告说，非活动性是 E. “大肠杆菌（大肠埃希菌）与能动的 A. baylyi（不动杆菌）， E。大肠杆菌在 A. baylyi殖民地。

琼脂为细菌提供食物，并在其表面上提供 E.大肠杆菌无法轻易移动（使其无法移动）。一个。另一方面，“ baylyi可以使用称为菌毛的细腿轻松地在琼脂上爬行。因此，产生一滴纯净的 E.大肠杆菌几乎不会在24小时内传播，而一滴纯净的 A. baylyi将覆盖培养皿的整个区域。

然而，当E。大肠杆菌和 A.在最初的飞沫中将baylyi混合在一起，这两种菌株都蓬勃发展，并在整个区域散播，成为非运动性的“ E。大肠杆菌搭上了高度机动的 A.贝利。然而，令研究人员最惊讶的是在24小时内不断出现的菌落中出现的复杂的花朵状图案。

“我们实际上是将这两种细菌混合在一起用于另一个项目，但是一天早晨，我在培养皿中发现了一种神秘的花朵状图案，一天前我在其中放置了一滴混合物。这种图案的美感触动了我，我开始怀疑细菌细胞如何相互作用以成为艺术家。’19，他是物理学系的研究生，并且是这项研究的主要作者。

为了揭示花朵图案是如何形成的，熊等人。开发了数学模型，该模型考虑了两个菌株的不同物理特性，主要是它们的生长速率，运动性和对琼脂表面的有效摩擦的差异。理论和计算分析表明，模式形成起源于菌落的扩展边界，由于 E.的拖曳作用，该边界变得不稳定。在那里积聚的大肠杆菌。

在 E. “大肠菌的积累，摩擦也减少了，从而使边界得以更快地推出。在有更多 E.大肠的积累和更多的摩擦，边界停滞不前。这就是创造花朵“花瓣”的原因。

进一步的分析表明，当活动细菌与具有足够高的生长速率和/或有效表面摩擦的非活动菌株混合时，预计会形成这种类型的模式，这可能对研究正在生长的生物膜具有重要意义。

生物膜是相互粘附并粘附于表面的微生物群落（包括细菌和真菌），形成了难以分解的坚固基质。常见的例子包括牙菌斑和池塘浮渣。它们还在起搏器和导管等医疗设备中生长。了解非运动性细菌如何“粘在”运动性细菌上，可以洞悉生物膜的形成方式以及如何消除它们。

Lev Tsimring说：“细菌模式的形成在过去几十年一直是研究的活跃领域，但是，大多数实验室研究和理论模型都集中在单菌株菌落的动力学上。自然栖息地中的大多数细菌生活在多菌株群落中，研究人员终于开始寻找控制它们共同栖息的机制。虽然已经确定了多种物种间交流与合作的生化机制，但我们发现，纯粹的物理相互作用机制可能会导致令人惊讶的复杂性。”

BioCircuits Institute（BCI）是一个多学科的研究单位，致力于了解跨细胞尺度的生物学调控回路的动态特性，从细胞内调控模块到种群动态和器官功能。BCI寻求开发和验证理论和计算模型，以理解，预测和控制复杂的生物学功能。该研究所由来自圣地亚哥大学UC和其他当地机构的50多名教职员工组成，包括Scripps Research，Salk Institute和Sanford-Burnham Medical Research Institute。

参考：熊丽阳，曹元生，罗伯特·库珀，伍特·简·拉珀尔，杰夫·哈斯蒂和列夫·蒂姆斯林，“多物种细菌群落中的花样模式”，2020年1月14日，eLife.DOI：
10.7554 / eLife.48885

参与该项目的其他研究人员包括加州大学圣地亚哥分校的Robert Cooper，Jeff Hasty，Caosheng Sheng Cao和Wouter-Jan Rappel。这项工作得到了美国国立卫生研究院（R01-GM069811），美国国家科学基金会（PHY-1707637），圣地亚哥系统生物学中心（NIH授予P50-GM085764）和美国国防部海军研究办公室的支持。 N00014-16-1-2093）。