定量生物學(xué)為生態(tài)探索 進(jìn)化預(yù)測開辟了道路

分子生物學(xué)研究最深入的主題之一是細(xì)菌趨化性-細(xì)菌細(xì)胞對化學(xué)刺激的響應(yīng)。盡管圣地亞哥大學(xué)UC的科學(xué)家認(rèn)為他們以及整個科學(xué)界知道細(xì)菌細(xì)胞如何移動以及為什么移動的所有信息，但他們驚訝地意識到他們對細(xì)菌如何成群移動的了解很少。這項最新研究的新發(fā)現(xiàn)在2019年11月6日的《自然》雜志上以罕見的背對背文章發(fā)表。

在第一篇論文中，物理學(xué)和生物學(xué)杰出教授特倫斯·華(Terence Hwa)以及博士后研究員喬納斯·克雷默(Jonas Cremer)和加州大學(xué)圣地亞哥分校的其他研究人員與大腸桿菌模型細(xì)菌共同研究，表明趨化性為細(xì)菌群體提供了一種機(jī)制，使他們能夠進(jìn)行高效到無人居住的周邊地區(qū)進(jìn)行有組織探索的模式。研究團(tuán)隊沒有像通常認(rèn)為的那樣在當(dāng)前環(huán)境中營養(yǎng)耗盡時開始探索，而是發(fā)現(xiàn)細(xì)菌在當(dāng)前環(huán)境中快樂地生長時便開始了探索。

Hwa說：“實(shí)際上，環(huán)境越好，細(xì)菌就越積極地參與勘探活動，這讓人回想起像Google這樣的富裕公司，盡管其核心業(yè)務(wù)蓬勃發(fā)展，卻更加積極地參與了多元化。”

使用高速顯微鏡，研究人員能夠追蹤成千上萬個細(xì)菌的運(yùn)動，這些細(xì)菌形成了所謂的趨化性“溫帶環(huán)”，這是一個易于觀察的“波紋”，在細(xì)菌感染后會向外擴(kuò)展。一滴細(xì)菌被引入營養(yǎng)豐富的棲息地(見圖1A)。令他們驚訝的是，研究人員觀察到，“群生環(huán)”不僅僅是通常認(rèn)為的一小部分分散細(xì)菌。取而代之的是，細(xì)菌的環(huán)包括開拓者的探索者，它們在遷移時會復(fù)制，留下一串后代(見圖1B，C)。

Hwa解釋說：“與螞蟻?zhàn)粉櫜煌?，追蹤?xì)菌不會遷移，但會在環(huán)的后面在它們各自的位置復(fù)制，最終填充環(huán)所包圍的整個空間。” “這些細(xì)菌似乎很聰明，以至于無法在給定的位置上長期維持指數(shù)增長。因此，在營養(yǎng)豐富的同時派遣了開拓者，以防止?fàn)I養(yǎng)耗盡時種群被卡住。”

Hwa指出，雖然科學(xué)家們很清楚細(xì)菌會通??過向更高濃度的某些分子(稱為“化學(xué)引誘劑”)移動來導(dǎo)航，但長期以來人們一直認(rèn)為這些分子“具有吸引力”，因?yàn)樗鼈兪橇己玫臓I養(yǎng)來源。但是，Hwa的研究小組表明強(qiáng)效化學(xué)引誘劑不是細(xì)菌的良好營養(yǎng)來源，當(dāng)以低劑量配以良好營養(yǎng)素時，它們的作用最強(qiáng)。這使研究人員意識到，化學(xué)吸引劑更像是香氣，而不是細(xì)菌的食物(見圖1C)。

克雷默說：“我們展示了先驅(qū)細(xì)菌如何有效地將低水平的趨化因子塑造成梯度，以引導(dǎo)探索過程，確定方向并提高種群移動速度。”

研究小組通過將細(xì)菌的探索，沉降和復(fù)制的導(dǎo)航模式與生態(tài)學(xué)中通常假定的不涉及趨化性的非指導(dǎo)性“范圍擴(kuò)展”過程進(jìn)行比較，從而完成了他們的工作(參見電影1)。Hwa和Cremer預(yù)測，隨著種群的擴(kuò)散更快，并在有控制的探索下獲得更大的收益，Hwa和Cremer預(yù)測這一過程可能在自然界中得到廣泛應(yīng)用，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了細(xì)菌界。

“不難想象，高等動物種群可能會使用與細(xì)菌類似的策略，從而改變環(huán)境并產(chǎn)生線索，從而引導(dǎo)該種群迅速向空曠地區(qū)擴(kuò)張。”

更快但不一定更好

《自然》雜志上發(fā)表的第二篇論文借鑒了第一篇的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。在本文中，Hwa和Cremer與位于中國深圳的中國科學(xué)院的科學(xué)家合作，研究了由趨化細(xì)菌進(jìn)行的導(dǎo)航探索策略的進(jìn)化基礎(chǔ)。

通過一系列的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化實(shí)驗(yàn)選擇成功在不同大小的棲息地上定殖的大腸桿菌，研究人員研究了趨化細(xì)菌在距起始位置不同距離處的適應(yīng)性優(yōu)勢(見圖2A，B)。

“對于多種類型的細(xì)菌具有速度范圍內(nèi)，傳統(tǒng)智慧所期望的第一個物種到達(dá)一個無人居住的棲息地，以在殖民棲息地，相對于其他決定性的優(yōu)勢細(xì)菌具有相似的生長行為，”華說。“但是我們的進(jìn)化實(shí)驗(yàn)令人驚訝地表明，更快的應(yīng)變并不一定是有利的。雖然更快的應(yīng)變在較遠(yuǎn)的距離處具有優(yōu)勢，而較慢的應(yīng)變在較小的距離處具有優(yōu)勢。”

這些研究結(jié)果，從第一篇論文的結(jié)果一起，允許團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)人口的擴(kuò)張速度和棲息地的大小之間的約束，人口能夠成功殖民統(tǒng)治，它只是規(guī)模的不斷增長的人口前能達(dá)到在幾個復(fù)制時間內(nèi)。

Hwa解釋說，這一限制反映了擴(kuò)張速度和成功定居新獲得的棲息地所需的人口增長率之間的必要協(xié)調(diào)。

Hwa說：“如果擴(kuò)張的速度快于生物體在新土地上復(fù)制的速度，那么即使他們先占領(lǐng)了土地，它們最終也會失去對土地的所有權(quán)。” “這或許是類似于為什么成吉思汗的軍隊可以在整個文明世界的半掃而無法統(tǒng)治征服的土地。”

研究人員對提出的約束條件進(jìn)行了定量驗(yàn)證，他們在不同的生境中重復(fù)了進(jìn)化實(shí)驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)了速度和增長率的多種組合(見圖2C)。據(jù)Hwa所說，定量預(yù)測進(jìn)化實(shí)驗(yàn)的結(jié)果非常罕見，但是這些研究的成功可能為將來研究進(jìn)化過程的更有效方法提供希望。

Hwa還建議他們發(fā)現(xiàn)的對勘探策略的限制可能適用于其他類型的勘探系統(tǒng)，包括可能增長的腫瘤甚至是業(yè)務(wù)擴(kuò)展。