定量生物學(xué)為生態(tài)探索 進(jìn)化預(yù)測(cè)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(duì)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(gè)科學(xué)界知道細(xì)菌細(xì)胞如何移動(dòng)以及為什么移動(dòng)的所有信息，但他們驚訝地意識(shí)到他們對(duì)細(xì)菌如何成群移動(dòng)的了解很少。這項(xiàng)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(duì)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(duì)沒有像通常認(rèn)為的那樣在當(dāng)前環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)耗盡時(shí)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(zhǎng)時(shí)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(dòng)，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(gè)細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)，這些細(xì)菌形成了所謂的趨化性“溫帶環(huán)”，這是一個(gè)易于觀察的“波紋”，在細(xì)菌感染后會(huì)向外擴(kuò)展。一滴細(xì)菌被引入營(yíng)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?cè)谶w移時(shí)會(huì)復(fù)制，留下一串后代(見圖1B，C)。

Hwa解釋說：“與螞蟻?zhàn)粉櫜煌粉櫦?xì)菌不會(huì)遷移，但會(huì)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(gè)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(zhǎng)期維持指數(shù)增長(zhǎng)。因此，在營(yíng)養(yǎng)豐富的同時(shí)派遣了開拓者，以防止?fàn)I養(yǎng)耗盡時(shí)種群被卡住。”

Hwa指出，雖然科學(xué)家們很清楚細(xì)菌會(huì)通??過向更高濃度的某些分子(稱為“化學(xué)引誘劑”)移動(dòng)來導(dǎo)航，但長(zhǎng)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(yíng)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(yíng)養(yǎng)來源，當(dāng)以低劑量配以良好營(yíng)養(yǎng)素時(shí)，它們的作用最強(qiáng)。這使研究人員意識(shí)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(dòng)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(cè)，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(cè)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(dòng)物種群可能會(huì)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(shì)(見圖2A，B)。

“對(duì)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(gè)物種到達(dá)一個(gè)無人居住的棲息地，以在殖民棲息地，相對(duì)于其他決定性的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌具有相似的生長(zhǎng)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?cè)谳^遠(yuǎn)的距離處具有優(yōu)勢(shì)，而較慢的應(yīng)變?cè)谳^小的距離處具有優(yōu)勢(shì)。”

這些研究結(jié)果，從第一篇論文的結(jié)果一起，允許團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)的人口前能達(dá)到在幾個(gè)復(fù)制時(shí)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(zhǎng)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(huì)失去對(duì)土地的所有權(quán)。” “這或許是類似于為什么成吉思汗的軍隊(duì)可以在整個(gè)文明世界的半掃而無法統(tǒng)治征服的土地。”

研究人員對(duì)提出的約束條件進(jìn)行了定量驗(yàn)證，他們?cè)诓煌纳持兄貜?fù)了進(jìn)化實(shí)驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)了速度和增長(zhǎng)率的多種組合(見圖2C)。據(jù)Hwa所說，定量預(yù)測(cè)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(duì)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(zhǎng)的腫瘤甚至是業(yè)務(wù)擴(kuò)展。