这张照片显示了分解海藻酸盐的自组织球形细胞簇。荧光的差异表明聚集细胞的不同代谢状态，这是藻酸盐分解过程中发生分工的标志。信用来源:J. Schwartzman
对于从微生物到复杂的多细胞生物的许多生物体来说，合作是生命的一个重要方面。当个体共享资源或划分任务时，每个人在一起行动时都能获得比单独行动更大的利益，它就出现了。例如，黏液霉菌成群结队地寻找食物和繁殖，鸟类和鱼类成群结队地躲避捕食者，细菌形成生物膜来抵抗压力。
为了合作，个人必须生活在同一个“社区”中。对于细菌来说，这个区域可以小到几十微米。然而，在海洋这样的环境中，具有相同基因组成的细胞单独出现在同一区域是很罕见的。这种必要性给科学家们提出了一个有趣的难题:在生存依赖于合作的环境中，细菌是如何建立自己的社区的?
麻省理工学院(MIT)教授奥托·x·科尔德罗(Otto X. Cordero)和同事们从大自然中获得了研究这个问题的灵感:他们开发了一个基于一种常见的沿海海水细菌的模型系统，这种细菌需要合作才能从褐藻中摄取糖分。在这个系统中，单个细胞最初悬浮在海水中，因为离其他细胞太远而无法合作。为了共享资源和成长，细胞必须找到一种建立邻里关系的机制。“令人惊讶的是，每个细胞都能够分裂，并通过形成紧密聚集的簇来创建自己的克隆邻居，”土木与环境工程系副教授Cordero说。
最近发表在杂志上的一篇新论文当代生物学展示了一种以藻类为食的细菌如何解决从单细胞状态开始创造局部细胞密度的工程挑战。
“一个关键的发现是表型异质性在支持克隆合作这一令人惊讶的机制中的重要性，”新论文的主要作者Cordero说。
通过结合使用显微镜、转录组学和标记实验来描述细胞代谢状态，研究人员发现细胞在表型上分化为粘性“壳”群体和能动的储碳“核心”。研究人员提出，壳细胞创造了维持合作所需的细胞邻居，而核心细胞积累了碳储存，当多细胞结构破裂时，这些碳储存支持进一步的克隆繁殖。
这项工作解决了理解塑造我们地球的细菌过程这一更大挑战中的一个关键部分，例如碳从死亡的有机物回到食物网和大气中的循环。“细菌基本上是单细胞，但它们在自然界中完成的事情往往是通过合作完成的。Cordero补充说:“关于细菌一起可以完成什么，以及这与它们作为个体的能力有什么不同，我们还有很多要发现。
参考:“多细胞聚集体中的细菌生长导致复杂生命周期的出现”，by Julia A. Schwartzman, Ali Ebrahimi, Grayson Chadwick, Yuya Sato, Benjamin R.K. Roller, Victoria J. Orphan and Otto X. Cordero, 30 June 2022, Current Biology.2022年6月30日。当代生物学.
DOI: 10.1016/j.cub.2022.06.011
合著者包括科德罗实验室的前博士后Julia Schwartzman和Ali Ebrahimi。其他合著者有Gray Chadwick，加州理工学院前研究生；日本国家高级工业科学技术研究所高级研究员Yuya Sato本杰明·罗拉，现任维也纳大学博士后；还有加州理工的Benjamin Roller, a current postdoc at the University of Vienna; and Victoria Orphan of Caltech.。
资金由西蒙斯基金会提供。个人作者得到了瑞士国家科学基金会、日本科学促进会、美国国家科学基金会、卡维利理论物理研究所和美国国立卫生研究院.
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