食藻细菌如何解决一个重大的环境工程挑战？

为了合作，个体必须生活在同一个“社区”。对于细菌来说，这个“社区”可以小到几十微米。然而，在像海洋这样的环境中，具有相同基因构成的细胞很少能独立地共同出现在同一邻域。而这种必要性给科学家带来了一个有趣的难题。在生存取决于合作的环境中，细菌是如何建立它们的“社区”的？

麻省理工学院教授Otto X. Cordero及其同事从大自然中获得灵感来研究这个问题：他们围绕一种常见的沿海海水细菌开发了一个模型系统，这种细菌需要合作才能从褐藻中摄取糖分。在该系统中，单细胞最初被悬浮在海水中，与其他细胞距离太远，无法合作。为了分享资源和成长，细胞必须找到一种建立“社区”的机制。土木与环境工程系副教授Cordero说：“令人惊讶的是，每个细胞都能够通过形成紧密的集群来分裂并创建自己的克隆‘社区’。”

最近发表在《当代生物学》杂志上的一篇新论文，展示了一种食藻细菌如何解决从单细胞状态开始创建局部细胞密度的工程挑战。

新论文的主要作者Cordero说：“一个关键的发现是表型异质性在支持这种令人惊讶的克隆合作机制中的重要性。”

研究人员使用显微镜、转录组学和标记实验的组合来描述细胞的代谢状态，发现细胞在表型上分化为一个粘性的"壳"群和一个运动的、储存碳的"核心"。研究人员提出，壳细胞创造了维持合作所需的细胞邻域，而核心细胞则积累了碳储存，当多细胞结构破裂时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。“细菌从根本上说是单细胞，但它们在自然界中完成的事情往往是通过合作完成的。我们有很多关于细菌能够共同完成的事情，以及这与它们作为个体的能力有什么不同，”Cordero补充说。