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微流体环境改变了微生物的行为,为工程社会进化开辟了潜力

Dervis Can Vural Image
图片由 Dervis Can Voral 提供。使用流动室引导微生物社会行为的装置的概念艺术。在创作这门艺术时使用了多种人工智能和非人工智能工具。

微生物是社会性动物。

就像人类一样,他们相互交流和合作,以解决比自己更大的问题。在微生物群落中,甚至会有搭便车者,以及其他监管他们的人。

那么,如果研究人员可以影响他们的社会进化以促进某些行为呢?这样做对于解决当今的许多挑战至关重要,例如对抗感染和抗生素耐药性、制定废水处理微生物策略或收获替代能源。

圣母大学物理与天文学系副教授Dervis Can Vural领导的一个研究小组探索了如何通过调整微生物生活环境的物理参数来操纵微生物的社会进化。研究结果最近发表在《生物物理杂志》上。

“流体动力学改变了一切,”Vural说。“我们想知道的是,我们是否可以设计微生物群落的社会结构。根据我们的模型,答案是肯定的。

微生物使用各种分泌物进行交流和合作,这些分泌物的生产成本很高,但为整个社区带来了好处。这些产品被称为“公共产品”。例如,它们可能会分泌消化酶,然后分解周围的食物,这对所有人都有好处。

然后是作弊者。这些搭便车者对公共产品的贡献不大,但他们仍然受益于其他人的贡献——而且他们对系统是有害的。

“作弊者更关心自己的成功,而不是社区的成功,”Vural解释说。“由于他们对公共产品的贡献较小,他们可以将更多的资源用于自我繁殖。因此,它们的繁殖速度比其他人快,最终,它们将主导人口。作弊行为蔓延开来,你会看到很少有微生物真正在做这项工作——当没有人做这项工作时,整个人口就会崩溃。

通过物理和生物学上逼真的计算模型,研究人员着手了解如何控制相互作用结构,以“帮助利用微生物种群的全部潜力”,他们在研究中写道。

流体流动产生剪切力,这是一种将微生物簇拉开并导致它们破碎的运动。“如果集群分裂的频率高于作弊突变体出现的速度,那么合作就会占上风,”Vural说。“因此,通过控制流动模式,我们可以控制合作模式。

Vural的团队研究了控制社会行为演变的多种方法,包括通过各种腔室,漏斗,微通道,过滤器和化学物质应用不同的流动模式,以及在某些情况下的周期性脉冲。一些模型被设计成创造一个漩涡,通过其剪切模式,将合作者定位在一个环内,同时将作弊者推到环境的外缘——本质上是本地化合作。

“你可以让微生物在一个附近合作,但在其他地方却没有,”Vural解释说。“你可以促进合作行为,这样就不会有作弊者出现并威胁到民众。你可以反其道而行之——如果需要,鼓励作弊者杀死一群微生物。你可以在两者之间做任何事情。你可以微调合作的程度。

Vural的方法并不试图抑制微生物分泌公共物品或废物或充当骗子的能力 – 相反,它创造了一个环境,导致微生物以一种或另一种方式进化。“我们不是在与个人打交道,”他说。“我们正在通过调整物理学来激励他们作弊或合作,从而使整个种群进化。

该研究是Vural关于微流体环境中工程社会进化潜力的最新研究。“将这些想法转化为实验现实将是一项复杂的任务,”他承认,这将需要一个非常微调的设备,用微观管、过滤器和流动室固定。但他表示,这些结果非常有希望,并激励“进化工程”作为一个新的研究领域。

“我们的工作通常是理论驱动的,但在这种情况下,我们的动机是工程社会进化的非常真实的可能性,”Vural说。“实验会很复杂,但实际应用潜力巨大。

模拟是由Vural的学生Gurdip Uppal进行的,他现在在哈佛医学院

联系: Jessica Sieff,媒体关系副总监,574-631-3933,[email protected]

新闻旨在传播有益信息,英文版原文来自https://news.nd.edu/news/microfluidic-environments-alter-microbe-behaviors-opening-potential-for-engineering-social-evolution/