撰文 | Andy

編輯 | 王聰

排版 | 水成文

細菌無處不在，不僅在浴室或廚房櫃檯上，而且在人類體內，包括適宜微生物群生長的腫瘤中。這些“小生態”甚至是調控癌症藥物療法的關鍵，而更多地瞭解它們可以幫助開發新的挽救生命的療法。

當同一系統中存在不同菌株的細菌時會發生什麼？它們共存嗎？會是最強者生存嗎？

近日，加州大學聖地亞哥分校的研究人員在 Nature Communications 雜誌發表了題為：Survival of the weakest in non-transitive asymmetric interactions among strains of E. coli 的研究論文，研究團隊對上述問題進行了研究，

他們設計了三株大腸桿菌（E. coli），以使每種菌株都產生一種毒素，該毒素可以殺死另一株，就像剪刀-石頭-布一樣。，透過(1)抑制蛋白質產生；(2)消化基因組DNA；(3)破壞細胞膜，它們相互制約，迴圈相互作用。

研究人員將這三個種群混合在一起，讓它們在一個培養皿上生長數週。當他們再次檢查時，他們注意到在多個實驗中，相同的種群將佔據整個表面，而且不是最強的（毒素最有效的菌株）。他們對產生這種結果的可能原因感到好奇，設計了一個實驗來揭示遊戲中隱藏的動態。

有兩個假設：要麼最強的細菌種群將獲勝，要麼最弱的細菌種群將獲勝。他們的實驗表明，令人驚訝的是，第二個假設是正確的：最弱的細菌種群總是最終佔據整個培養皿。

回到剪刀-石頭-布的比喻，如果他們假設大腸桿菌的“石頭”菌株具有最強的毒素，它將迅速殺死“剪刀”菌株。由於“剪刀”菌株是唯一能夠殺死“布”菌株的菌株，所以“布”菌株現在沒有敵手了。在一段時間內可以自由地慢慢吃掉“石頭”菌株，而“石頭”菌株無法防禦自己。

為了弄清楚這種現象背後的機理，研究人員還開發了一個數學模型，該數學模型可以透過從各種各樣的模式和密度開始模擬三個菌群之間的戰鬥。該模型能夠顯示細菌在具有常見空間模式（如條紋，孤立的簇和同心圓）的多種情況下的行為。只有當菌株最初以同心環的形式分佈且中間最強時，最強的菌株才有可能接管板。

據估計，微生物在人體中的數量超過了人類細胞的10：1，並且幾種疾病已歸因於各種微生物群落內的失衡。腸道微生物組內的失衡與幾種代謝和炎性疾病，癌症甚至抑鬱症有關。研究團隊正在進行的研究可能有助於為一天改造健康的合成微生物組奠定基礎，該微生物組可用於遞送活性化合物以治療各種代謝性疾病或疾病和腫瘤。

細菌群落佔據了無數不同的生態位環境，在從營養迴圈到調節人類健康的過程中發揮著重要作用。雖然構建強大細菌群落的能力可能會在回收、可持續發展和醫療保健等領域帶來重大進步，但物種多樣性和穩定性的潛在機制仍未得到很好的理解。

研究證明了使用工程合成生態來簡化複雜的群落關係的可行性，以便研究可能導致群落穩定和保持多樣性的潛在機制。由於巨大的物種多樣性和生物在自然中採用的廣泛競爭策略，他們假設自然競爭動態可能是不平衡的。與三個物種以相等的速度相互殘殺的完美平衡的石頭-剪刀-布遊戲不同，他們專注於描述一個不對稱的系統，其中每個捕食者-獵物對之間的相對競爭優勢是不同的。

在這裡，他們證明當相對競爭優勢不平衡時，不可傳遞性在很長一段時間內不能促進生物多樣性。因此，他們認為不對稱非傳遞生態學是研究競爭細菌物種間複雜相互作用的有用基礎模型。利用他們的三菌株生態學，他們實驗性地證明了最弱的物種最有可能贏得均勻分佈的石頭-布-剪刀遊戲。

有趣的是，他們表明不對稱生態可以發展穩態共存，三個物種之間的相對毒素強度決定了共存空間的範圍。與直覺相反，在相同的均勻分佈初始條件下，他們的模型預測最強毒素的生產者永遠不會贏。與兩兩競爭相反，在兩兩競爭中，最強毒素的生產者具有競爭優勢，而在非傳遞群體中，最強毒素的生產者處於進化劣勢。這可能是一種重要的選擇性力量，對抗微生物中日益致命的戰爭化學物質的不斷進化，導致化學物質的多樣性增加，這些化學物質被限制在特定的毒素強度引數空間內。毒素介導的競爭在群落穩定性中發揮的作用也可以解釋細菌群落中觀察到的膜靶向DNA或核糖體靶向細菌毒素的相對丰度。

最後，他們還觀察到系統的穩態結果可以透過改變初始菌株分佈模式來改變。總的來說，這項研究提供了一個數學模型和工程框架來研究競爭的相互作用，並最終用作設計穩定社群的指南，或獲得預測社群穩定性的能力。

原文連結：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-19963-8