细菌群落使用复杂的策略进行长距离通信

这是我们最终从一丛豆子里拿出一杯新鲜咖啡的方式。这是海洋石油钻井平台从海底下方密集的岩层中提取石油的方式。它甚至可以帮助解释森林火灾如何蔓延。

被称为“渗透”的理论现在正在帮助加利福尼亚大学圣地亚哥分校的微生物学家解释细菌群落如何能够有效地远距离传递信号。曾被视为一个简单的微生物群，已发现细菌群落 - 也称为“生物膜” - 利用离子通道进行电化学通信，帮助社区茁壮成长并生存威胁，例如抗生素的化学攻击。

由Joseph Larkin和加州大学圣地亚哥分校的资深作者GürolSüel领导的研究结果将于7月25日发表在Cell Systems杂志上。

生物膜社区居住在我们周围的各个地方，从土壤到排水管道到牙齿表面。这些社区边缘的细胞比内部细胞更容易生长，因为它们可以获得更多营养。为了保持这种边缘增长并确保整个社区健康和平衡，生物膜内部的“饥饿”成员向外部的成员发送电化学信号。这些信号阻止了边缘的消耗，允许营养物质通过内部细胞以避免饥饿。

加州大学圣地亚哥分校生物科学博士后学者拉金说：“这样可以保持内部足够好，如果发生化学攻击并取出一些外部细胞，那么受保护的内部就能够继续存在，整个人群都可以存活下来。” 。“至关重要的是，电化学信号应始终如一地传递到生物膜边缘，因为这是必须停止生长的地方，以便社区从信号传递中获得最大利益。”

在接近他们的新研究时，研究人员试图解释细菌群落如何能够传播这些电化学通信信号。与指定结构来传递称为轴突的电化学信号的神经元不同，细菌群落缺乏这种复杂的结构。这引发了一个问题，即细菌如何在社区内长距离传播信号。

在筛选了大量细菌数据后，加州大学圣地亚哥分校的研究人员开始与普渡大学的Andrew Mugler和Xiaoling Zhai合作，后者提出渗透理论可以解释细菌群落如何从细胞传播到细胞的信号。

渗透理论自20世纪50年代就已出现，并帮助物理学家描述信号如何通过不同组件的介质或网络传输。在咖啡机中，热水通过单独的咖啡渣渗透到玻璃水瓶中。在石油工业中，钻探者通过从渗透砂中提取石油来最大化其产量，其中基岩的多孔性足以允许油在大面积上流动。

在细菌群落中，信号在数百个细胞的连接路径中从一个细胞传递到另一个细胞。使用荧光显微镜，研究人员能够跟踪“发射”(发射信号)的单个细胞。科学家们发现，激发细胞的比例及其在空间中的分布与渗透开始的理论预测完全匹配。换句话说，细菌群体中有一小部分发射细胞恰好处于没有连通性和细胞间完全连通性之间的临界点，也称为临界相变点。

“我们都熟悉我们如何通过渗透来制作咖啡，这是一个有趣的转折点，细菌似乎使用相同的概念来完成非常复杂的任务，即在细胞与细胞之间长距离有效地传递电化学信号，”Süel说。。

“有趣的是，这些细菌，即所谓的简单单细胞生物，正在使用相当复杂的策略来解决这一社区层面的问题，”拉金说。“它足够复杂，我们人类正在使用它来提取石油，例如。”

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