更好地度过多细胞生命周期

从微生物到复杂的多细胞生物，合作是许多生物体生命的核心部分。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，鸟类和鱼类成群结队地躲避捕食者，黏菌成群结队地寻找食物和繁殖，细菌形成生物膜来抵抗压力。

个人必须生活在同一个“社区”才能合作。对于细菌来说，这个区域可以小到几十微米。但在海洋这样的环境中，具有相同基因组成的细胞独自出现在同一社区是很罕见的。这种必要性给科学家们提出了一个难题: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?

为了研究这个问题，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灵感: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。为了共享资源和生长，细胞必须找到一种创造社区的机制。“令人惊讶的是，每个细胞都能够分裂，并通过形成紧密的集群来创造自己的克隆邻居，”土木与环境工程系副教授科尔德罗说。

今天发表在《当代生物学》(Current Biology)上的一篇新论文，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这种惊人的克隆合作机制方面的重要性，”这篇新论文的主要作者科尔德罗说。

通过结合显微镜、转录组学和标记实验来描述细胞代谢状态，研究人员发现，细胞表型分化为粘性“壳”种群和可移动的碳存储“核”。研究人员提出，壳细胞创造了维持合作所需的细胞邻居，而核心细胞积累碳储备，当多细胞结构破裂时，支持进一步的克隆繁殖。

这项工作解决了一个更大挑战的关键部分，即了解细菌塑造我们地球的过程，例如碳从死亡的有机物质回到食物网和大气的循环。“细菌基本上是单细胞，但通常它们在自然界中是通过合作完成的。我们还有很多东西要揭开，关于细菌可以一起完成什么，以及这与它们作为个体的能力有什么不同，”科德罗补充说。

合著者包括Julia Schwartzman和Ali Ebrahimi，他们是科德罗实验室的前博士后。其他合著者包括格雷·查德威克(Gray Chadwick)，他曾是加州理工学院的研究生;日本国家先进工业科学技术研究所高级研究员佐藤裕也;Benjamin Roller，现任维也纳大学博士后;以及加州理工学院的维多利亚·孤儿。

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、卡弗里理论物理研究所和美国国立卫生研究院的支持。