科技日報?|?定量合成生物學(xué)首次揭秘微生物自我犧牲行為演化機(jī)制
蜜蜂的“自殺式攻擊”是自然界的生存智慧之一,工蜂尾針刺入人體后強(qiáng)行掙脫時會撕裂內(nèi)臟死亡,但蜇刺釋放的報警信息素能瞬間召集同伴,被蜇者皮膚殘留的毒液還會增強(qiáng)其他蜜蜂的攻擊性,形成蜂群的連鎖防御策略。
這種“自我犧牲”行為在生物界廣泛存在。然而,在生物演化過程中始終存在著一個謎題:既然這些個體無法存活下來繁殖后代,相關(guān)的基因似乎應(yīng)該逐漸消失。
那么,這種行為是如何在自然選擇過程中得以延續(xù)的呢?
近日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院定量合成生物學(xué)全國重點(diǎn)實(shí)驗室研究員黃術(shù)強(qiáng)及傅雄飛團(tuán)隊,聯(lián)合在《國際微生物生態(tài)學(xué)會期刊》發(fā)表最新研究,通過定量合成生物學(xué)方法揭示了微生物如何在壓力環(huán)境中通過“自我犧牲”行為實(shí)現(xiàn)群體生存的新機(jī)制。
基于合成生物學(xué)技術(shù),研究團(tuán)隊在前人構(gòu)建的具有“自我犧牲”行為的犧牲者菌株基礎(chǔ)上,進(jìn)一步構(gòu)建了作弊者菌株。犧牲者菌株內(nèi)置裂解蛋白,受外界刺激后破裂釋放β-內(nèi)酰胺酶,定向降解抗生素以降低環(huán)境壓力。
實(shí)驗顯示,該機(jī)制通過進(jìn)化選擇顯著提升了菌群適應(yīng)性——犧牲者雖死亡,但其酶解作用使群體存活率提高。這種可控的協(xié)同進(jìn)化模型證實(shí):微生物群落中通過環(huán)境壓力調(diào)控的利他行為可以在種群內(nèi)部獲得顯著進(jìn)化優(yōu)勢。
那么,這種極端的演化模式在物種進(jìn)化的過程中為何能一直存在呢?
理論研究顯示,強(qiáng)分散環(huán)境可顯著促進(jìn)自我犧牲行為的進(jìn)化:當(dāng)微生物被分隔為1到2個個體的微單元時,有單獨(dú)個體繁衍出的群體具有統(tǒng)一的基因型,“犧牲者”群體通過主動消亡釋放降解抗生素的公共產(chǎn)物,使“犧牲者”群體存活率在壓力刺激下得以提升;而“作弊者”群體中因沒有個體貢獻(xiàn)而整個群體逐漸被淘汰。
盡管理論分析表明,在強(qiáng)分散的環(huán)境中,自我犧牲行為可以維持并演化,但實(shí)驗驗證依然面臨許多挑戰(zhàn)。主要難點(diǎn)在于:如何構(gòu)建一個可重復(fù)的實(shí)驗方案來準(zhǔn)確模擬這種行為及其與“作弊者”之間的關(guān)系,以及整個演化過程。
而可重復(fù)實(shí)驗的難點(diǎn)在于,如何保證在添加抗生素時細(xì)菌密度的一致性,在強(qiáng)分散環(huán)境下,菌株的生長差異非常大。
在合成生物研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的助力下,機(jī)器替代了人手將每塊384孔板加入不同體積的菌液的操作,高通量、標(biāo)準(zhǔn)化、自動化的機(jī)器完成了煩瑣的手工實(shí)驗,解決了技術(shù)性難題,提高了實(shí)驗效率和數(shù)據(jù)的一致性。
通過自動化實(shí)驗平臺證實(shí):分散強(qiáng)度與選擇壓力都會影響自我犧牲行為的演化結(jié)果——弱分散操作有利于“作弊者”的演化,而強(qiáng)分散操作更有利于“犧牲者”的演化,該效應(yīng)隨抗生素濃度(環(huán)境壓力)升高呈指數(shù)增強(qiáng)。
該研究拓展了演化生物學(xué)研究中經(jīng)典的群體選擇理論,揭示了強(qiáng)分散如何促進(jìn)自我犧牲行為的演化,為理解利他行為的演化機(jī)制提供了新的視角。
同時,該研究展示了定量合成生物學(xué)與重大科技基礎(chǔ)設(shè)施在探索復(fù)雜演化現(xiàn)象中的巨大潛力。該發(fā)現(xiàn)不僅有助于解析自然界中極端利他行為的演化邏輯,還可能為生物膜控制、抗生素耐藥性治理等實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域提供新的理論指導(dǎo)。
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