细菌在群落内如何分工合作

白蚁蚁后安坐于满是尘埃的宝座上，身躯因卵囊充盈而臃肿，许多无生育能力的白蚁臣服于她。

蚁群中每个成员都专精于各自的职责：工蚁觅食和筑巢，兵蚁捍卫领地免受入侵。

社会性昆虫群落的分工机制有助于蚁后的基因高效传递下去。

同时，在它们周围的土壤中，正上演着一种相似的情景，而主角则是一种全然不同的生命形态。

细菌的进化与高级真核生物（如鸟类或是蜜蜂）存在许多相似之处，丹麦技术大学的微生物学家阿克斯 • 科瓦奇（Ákos Kovács ）指出，研究单细胞生物可能有助于科学家更好地理解多细胞生命。

科瓦奇团队致力于研究“社会微生物学”，这一新兴领域关注微生物丰富的社会生活。

相对于实验室中通常自由生存的浮游细菌，多数自然界中的真核生物处在复杂的社会关系中，并涉及多个种群间的交互作用。

聚集的微生物会形成生物膜，这种生物形式无处不在，遍布岩石、浴缸和医疗器械。

实际上，阅读本文的读者也正支持着这些微生物社群。

牙齿在刷洗前覆盖着的黏稠物质即为生物膜，皮肤和肠道中共同生长的有益微生物同样如此。

细菌群落通过糖、蛋白质和DNA 形成的黏稠物质覆盖自己，形成生物膜。

这些细胞外基质使细胞黏附于表面，并形成黏稠的保护膜，抵御捕食者和抗生素。

传统药物一旦陷入这种基质，就会被分子网所困，无法深入穿透生物膜的内部。

当氧气耗竭后，其内部的细胞还会进入一种休眠状态，从而能够抵抗针对代谢过程的抗生素。

实际上，生物膜状态下的细菌，相对于浮游状态，能够承受高达1 000倍浓度
的抗生素。

细菌在生物膜中承担不同的责任。

一些个体专注于繁殖，以扩张群落；另一些专注于建设，分泌多糖和蛋白以充实细胞外基质；还有一些则保卫社群，制造分子武器，用毒素攻击竞争对手。

细菌们也绝不安常守故。

当生物膜成熟后，社群便需要一些变化，这时细菌会承担新的分工责任。

科瓦奇团队发现，土壤中的细菌枯草芽孢杆菌群落在早期发展时，大多微生物会负责产生基质，这时它们更像是一群不相连的细胞。

但随着群落建设进展，一些细胞会转而负责产生孢子或有用的酶。

微生物大都会
那么细菌如何分担它们的家务事呢？科瓦奇表示，这一过程部分是随机的。

通过增强细胞反应的随机波动，细胞个体会产生特定的角色。

举例来说，枯草芽孢杆菌形成的生物膜中负责产生蛋白酶的细胞是随机决定的。

魏茨曼科学研究所的微生物系统研究者丹尼尔 • 达尔（Daniel Dar ）
指出，细菌在生物膜中所处的位置也会决定其任务分配，好比一个大都市的不同乡镇空气污染水平不同，有机超市的数量也不尽相同，生物膜的不同部位的氧气和营养物质水平也会有很大的差异。

细菌通过感知这些微环境的变化，上调或下调特定基因的表达来影响不同的细胞进程。

生命科学 BIOSCIENCE
细菌在群落内如何分工合作
编译 传植
生物膜是无数微生物的家，以此破坏细菌间的交互或能研发更高效的抗生素。

达尔是加州理工学院戴安娜•纽曼（D i a n n e Newman）实验室的博士后研究人员，他开发了一种方法，实现了以亚微米级的分辨率追踪整个生物膜内的基因活动。

同时利用并行连续荧光原位杂交（par-seqFISH）手段对绿脓假单胞菌进行研究，这种细菌通常出现在囊性纤维化患者的肺脏中。

研究者通过分析超过100个基因的表达，发现了一种分区调控的规律模式，类似于按数字上色的涂色书。

不同细菌群落在生物膜不同位置时，会改变其代谢状态，并表现出不同的基因活动特征。

举例来说，成熟生物膜底部的微生物会启动编码消化酶的一系列基因，而周边的细菌则优先转录参与防御的基因。

一种防御机制是绿脓假单胞菌会在开始聚集时增加产生绿脓菌素，这种毒素能够影响其他细菌种群。

生物膜形成后，细胞群落会合成绿脓菌素，并以自毁的形式释放毒素。

细菌在爆裂后将毒素和DNA喷洒到环境中。

这一看似自毁的行为实则增加了生物膜存活的概率：毒素杀灭竞争对手，而DNA则与基质中的分子相结合，增强结构并促进生物膜生长。

这种研究为治疗生物膜感染提供了新思路，但研究者
这幅介观图像展现了表达不同荧光蛋白的两株大肠杆菌。

随着种群内细菌数量增加，它们会与周围的群落产生冲突，在生物膜上形成大理石般的花纹
遗传变异
劳动分工并非仅仅源于基因表达上的差异，也会因不可逆的基因变化而起。

天蓝色链霉菌是一种土壤链霉菌，它能够形成真菌样的结构，删除其部分染色体能够使其细胞亚种出现合成特定抗生素的能力。

人类用于治疗感染的超过半数抗生素都由天蓝色链霉菌生产。

尽管细菌群落是从克隆开始的，但不稳定的DNA 区域能够快速产生变异。

2023年发表于《分子系统生物学》（Molecular Systems Biology ）
的一篇文章中，科学家报告天蓝色链霉菌的基因组主要分为两个部分。

染色体稳定端的基因负责合成抗生素，而促生长的基因位于更加脆弱的部分。

而这一脆弱的部分在发生变异后，与生长和复制相关的序列被删除，形成专注于分泌抗生素的特定菌株。

而这种特定化有其代价。

正如同工蚁不具备生殖能
力，生产抗生素的菌株同样没有繁殖能力，而整个群落又得益于它们的劳作。

有些情况下，突变细菌释放孢子的能力会降低到原来的万分之一。

另一些研究发现基因多样性可能具有更加隐伏的因素。

2022年发表于《细胞》（Cell ）杂志的一篇论文中，研究者描述了微生物使用毒素射杀同胞，从而驱动有利基因的出现。

革兰氏阴性细菌为了抵御竞争者，会组装分子机枪VI 型分泌系统（T6SS ）。

这种武器形似标枪，装载毒素后射向对手，穿透对手的细胞外结构。

为了避免伤害自身，细菌会合成免疫蛋白以中和毒素。

科学家在数十年前就知道细菌利用T6SS 消灭那些不友善的邻居或是侵入领地陌生者，但没有人能够想到这种武器被用在杀灭同胞，普林斯顿大学的分子生物学家邦
杀灭核心
研究者利用空间转录组学方法，鉴定生物膜形成所需的关键蛋白质，并以此为基础开发将抗生素输送入难以穿透的生物膜核心区域的方法。

达尔利用par-seqFISH 分析发现在绿脓假单胞菌开始聚集时，吩嗪类代谢物的表达增加。

这一发现支持戴安娜 • 纽曼研究组之前的研究结果，吩嗪类代谢物绿脓青素会促进细胞间的交互。

利用PodA 酶降解绿脓青素能够让生物膜更加脆弱，对抗生素更加敏感，但PodA 稳定性差，且在自然情况下合成极其微量。

纽曼和萨雷尔 • 弗莱施曼（Sarel Fleishman ）组成研究团队，以研究如何改造PodA 的结构。

魏茨曼科学研究所的结构生物学家利用计算机方法预测增加蛋白稳定性的突变。

当纽曼团队将这种改良的酶作用于绿脓假单胞菌，相对于单用抗生素而言能够更有效地破坏生物膜。

光学显微镜的技术进步为破坏生物膜核心的方法提供了新线索。

英国思克莱德大学的物理学家盖尔 • 麦康纳尔（Gail McConnell ）开发了新工具，用于高分辨率和高倍率的单次胚胎成像。

当利亚姆 • 鲁尼（Liam Rooney ）加入麦康奈尔实验室后，首次在微生物学研究中尝试该技术以一瞥微生物都市的内在运作方式。

在鲁尼开始这一项目前，他从未见过生物膜内部的高分辨率图像，他表示：“我们原先假设其中只是同源细胞组成的球体紧密结合在一起，而没有真正的内在结构。

”
研究团队通过新工具Mesolens 对大肠杆菌形成的生物膜进行了研究，发现在群落内部有微小的通道样结构形成的网络。

这种通道帮助生物膜向其“饥饿的”核心部位运输营养物质、氧气和其他资源，如同我们的血管通过血液将分子运送给全身。

鲁尼表示，研究者希望利用这种通道将抗体输送到生物膜的核心中去。

Mesolens 显微镜下的大肠杆菌生物膜，展现了菌落内弥散的通道样结构
尼 • 巴斯勒（Bonnie Bassler）评价道，她是细菌通信研究的早期开拓者。

这一研究揭示了所谓的分区过程，尽管生物膜上的细菌来自同一克隆，却会被不同基因变异型的细菌分隔为数个区域。

巴斯勒团队通过研究霍乱弧菌的生物膜，发现菌落分为不同的变异型后，生物膜内的细胞会开始用毒素互相攻击。

巴斯勒说：“它们彼此疯狂地互相攻击。

”
细菌为了节约能量，只会在周围有其他微生物的情况下组装它们的分子武器。

这一过程被群体感应的细胞通信机制所控制。

每个细菌都会渗漏出化学信号，随着细菌群落扩大，这种化学信号的浓度会增加。

一旦超过一定阈值，细菌就会同时激活群体感应基因，激发如生物膜形成等群体行为。

这种微生物屠杀会驱动群体感应变异基因的突变，抵御进一步的杀灭，譬如产生能够合成更多多糖作为防护装甲的变异型。

巴斯勒团队在霍乱弧菌中发现的一些变异型也出现在临床样本中，这提示杀伤同胞的过程也与疾病相关。

巴斯勒解释道：杀死同胞可能会加速进化过程。

细菌通过各种方法产生变异，但只有能够抵御T6SS杀伤的变异型能够存活下来并进一步复制繁殖，从而使菌落能够繁荣发展。

罢工行动
在深入理解生物膜系统如何调控劳动分工后，研究者就有机会干预这种过程来引发“社会崩溃”。

初步研究发现电流能够实现这一目标。

加州大学圣迭戈分校的生物物理学家居罗尔 • 苏尔（Gürol Süel）说：电流能够杀死细菌，但较低的电流也会刺激特定种类的细胞生长。

过去十年间，苏尔团队发现了细菌如何通过电脉冲进行沟通，这种电脉冲如同一种巨大的动作电位，能够传遍整个生物膜。

电信号让生物膜内的细胞调节生长、共享营养物质并招募外来细胞加入群落。

在新的研究中，苏尔团队聚焦两种主要类型的生物膜细胞：一是能动细胞，能够四处游动并定植到新的表面；二是基质分泌细胞，它们大量分泌黏稠的聚合物，将其他群落黏合在一起。

研究团队开发了一种设备，通过电流刺激生长中的枯草芽孢杆菌生物膜。

对遗传学上相同且处在同一微环境中的生物膜，较弱的电击能够促进能动细胞的生长，而非基质分泌细胞。

电刺激改变了群落中不同细胞类型间的比例，让游动的细胞成为主导。

这一现象会导致生物膜瓦解，研究者推测这是因为黏合菌落的基质产量减少。

同时，由于基质也会阻碍抗生素进入生物膜的核心，电流能够增加生物膜对治疗的敏感性。

苏尔团队的目标是通过改变生物膜内细胞的劳动分工以分解细菌群落。

科瓦奇认为，另一种可行策略是从微生物群落的生长过程下手，比如共享物质、消化酶、基质多聚物和分泌系统。

当传统的抗生素作用于生物膜时，耐药细胞很快占据上风并主导整个群落。

但当细菌暴露于能够分解生物膜的药物时，群落中生产“公共财产”的过程会受到抑制，耐药细菌相对非耐药的部分便占据下风。

新资源被周围的细胞共享并消耗，这对它们而言无须消耗能量便能获益。

这时非耐药细胞便会占据上风，持续生长至耗尽公共财产，导致生物膜瓦解。

比利时鲁汶大学的微生物学家汉斯•斯蒂纳克斯（Hans Steenackers）与同事培养了一种无法合成基质多聚物的沙门氏菌。

这种变异细菌与野生型不同，它们更加不倾向于形成生物膜，且对抗生素更加敏感。

在40天的实验中，没有细胞进化出耐药性，而通常情况下对标准抗生素产生耐药性仅需数天。

当研究团队追踪耐药菌株，并将它们加入培养皿后，这些非耐药细胞快速占据了菌落的主导地位。

干扰菌落中的公共行为有微生物学之外的意义，斯蒂纳克斯在一篇相关综述中写道，这种策略能够被用于癌症治疗，癌细胞同样生长于基质样的微环境中；或是用于驱散昆虫群，斯蒂纳克斯认为，昆虫通过信息素进行沟通，这种方式与细菌通过群体感应进行交流相似，相较传统杀虫剂，扰乱昆虫间的协作是一种更加可持续的方法。

科瓦奇评价道，研究细菌协作不仅仅是靶向致病性生物膜的关键，同时也有助于阐明多细胞生命的奥秘。

资料来源 The Scientist 本文作者霍利 • 巴克（Holly Barker）是驻伦敦自由科学作家
枯草芽孢杆菌形成的复杂生
物膜结构。