在航行迷宫时 细菌表现出强烈的个性

虽然它们被认为是所有生命形式中最简单的,但即使是微生物也会感知它们的环境并且能够在其中积极地移动。这使他们能够识别食物和有害物质,并在物质在其环境中的浓度梯度的指导下朝向或远离它们。因此,许多微生物的旅程可以被视为基于化学梯度的一系列决定。

细胞靶向或避免特定物质的能力称为趋化性。到目前为止,科学家们普遍认为细菌的趋化性质是物种或种群的共同特征 - 好像所有细胞的行为大致相同。在这种情况下,平均值足以描述它们的运动行为。现在,苏黎世联邦理工学院的研究人员在行为实验中观察了细菌的趋化性。最近在Nature Communications上发表的一项研究的主要作者Mehdi Salek和Francesco Carrara报道说:“如果你用适当的技术观察,即使在一群基因相同的细胞中也会发现令人惊讶的行为差异。”

T迷宫中的微生物

他们与环境工程研究所罗曼斯托克教授领导的研究小组的同事们一起开发了一种特殊的微流体系统,可以观察极小规模液体中数千种细菌的运动。该系统包括一系列狭窄的通道,这些通道分支到薄玻璃板上以形成一种微观迷宫,细菌通过该迷宫游动。

这种迷宫通常用于其他生物的行为偏好的实验研究,例如昆虫或蠕虫(以及植物根)。凭借其微流体系统,ETH研究人员首次能够在微观尺度上应用这种传统的生态学工具。它们的迷宫类似于一个家谱,其起始通道一次又一次地向底部分支,化学引诱剂的浓度最高。

决定在路上岔路口

细菌全部在相同的地方开始 - 并且在通道系统内明显分开,因为他们被迫在每个叉子处决定是否向上或向下游泳引诱剂的梯度。细菌具有对专门受体的趋化能力,使它们能够识别引诱剂。此外,他们有大约六打鞭毛,可以顺时针或逆时针旋转。“基于此,细菌改变方向或继续向一个方向游泳,”Salek和Carrara解释道。

即使在一组遗传上相同的细胞 - 即克隆体 - 中,ETH研究人员发现能够很好​​地跟踪引诱剂的个体(每当它们进入岔路口时导向更高的浓度),以及那些能力较差的细胞。谈判迷宫。科学家将这些行为差异归因于姐妹细胞中相同基因的遗传活性的变异。这意味着细胞具有不同量的相应蛋白质。“每个细胞都有生化噪音。作为一个基本的随机成分,这会导致外观和行为的多样性,”研究人员说。

成功的个人主义者

趋化性的多样性或异质性可以为细菌提供进化优势,因为尽管趋化性的技术人员可以快速定位和利用当地稳定的食物来源,但他们的姐妹细胞更少受到引诱剂的影响,更有可能冒险进入新的领域。他们可能会在不断变化的环境中遇到额外的食物来源。

“非遗传多样性在生物医学生命科学中早已为人所知;例如,它被认为在抗生素抗性中发挥作用。现在,环境科学家已经证明这种多样性也影响细菌的基本行为,如运动和趋化性。 - 进一步扩展细菌个性的概念,“Stocker说。他认为细菌的不同个体行为也可能与更好地了解珊瑚的病原性感染或石油泄漏的生物修复等过程有关。