自然界中生活著大量的群居生物，為了找到更豐富食物與更適宜的環境，他們往往需要進行群體遷移。這就要求群體中無論男女老少、體質好壞都要保持同樣的速度遷移，以防落單致險。然而不同的個體總會在行動能力、導航能力等方面存在差異，因此一種穩健的速度協調機制對於一個群體而言至關重要。具有智慧的生物尚且可以利用語言命令等方式在個體之間傳遞資訊。但對於細菌這種單細胞生物來說，他們可用的資訊傳遞方式極為有限，是什麼樣的機制可以保證不同行動能力的細菌集體遷移呢？
11月2日，來自中國科學院深圳先進院合成生物學研究所傅雄飛課題組的研究人員發表在eLife雜誌的文章（1），揭示了細菌透過有序佇列實現叢集遷移的協調機制。同時，該論文被遴選為“eLife digest”科學文摘評述報道（https：//elifesciences。org/digests/67316/all-together-now）。
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細菌作為最小的可以獨立活動的生命體，可以轉動身上的鞭毛，在液體中游動。同時他們還能透過不定時的身體翻滾，隨機改變遊動的方向。在一些化學物質的吸引下（我們通常把具有吸引能力的化學物質叫做趨化物），細菌可以透過調節身體翻滾的頻率讓自己在各個方向隨機遊動的同時慢慢靠近趨化物濃度較高的方向。然而不同的細菌個體對於趨化物的敏感度各不相同，有的可以更快地聚集到高濃度區，而有的則要慢一些（2）。
圖 | 細菌的隨機遊動與趨化運動能力差異示意圖。 來源：科研團隊蔡卓苒、吳蔚。
當細菌組成一個群體聚集在一起的時候，他們會一起消耗環境中的趨化物。隨著本地趨化物的逐漸消耗，他們便會依靠趨化運動能力朝著還沒有去過的領地遊動，享受那裡更高濃度的趨化物。有趣的是，在這樣的遷移群體中，對趨化物濃度不敏感的細菌雖然處在群體的尾端，但是卻沒有被落下，而是緊緊地跟隨著敏感的細菌，形成了一個緊湊的有序佇列，以同樣的速度共同運動。之前，傅雄飛實驗室與耶魯大學Thierry Emonet實驗室合作研究發現了這樣的有序佇列對於細菌的叢集遷移來說至關重要 （3）。可是，細菌個體運動總是在不斷改變遊動方向，這樣的有序群體行進佇列是如何從無序的個體隨機運動中湧現出來的呢？
為了回答這個問題，研究人員對每一個細菌的運動軌跡進行了追蹤與觀測。他們發現每一個細菌都在群體中做往復運動：當細菌落在群體後面時，他們就會更努力地向前遊動；一旦他們遊在了群體的前端，則像失去了導航一樣四處亂遊，直到落在群體後端，又再一次奮力向前。這樣的運動行為，就好像有一種力量在後面推著他們往前走似的，落在後面就推一把，跑到前面就不管了。
經過一系列的模型推演，研究人員發現這種後面強前面弱的‘力量’的確存在，而它恰恰就來源於細菌群體消耗趨化物所產生的濃度梯度總是後面高前面低。因此當細菌落在群體後端時會受到趨化物更大的吸引力，使得細菌更加努力地向前遊動。而當他們游到群體前端時，因為各處的趨化物濃度都差不多，反而失去了繼續前進的動力。
圖 | 群體中不同空間位置的細菌運動行為特徵示意圖。 來源：科研團隊蔡卓苒、吳蔚
細菌群體遷移時存在這樣後面強前面弱的‘推動力’，對那些不太敏感的細菌來說是一個巨大的利好。因為每當他們被那些對趨化物敏感的同伴落在後面時，他們就會受到更大的推動力，驅使他們向前趕。而那些遊在前面的個體反而在高濃度的趨化物‘舒適’環境中迷失了繼續遊動的方向。當然，也正是因為這個機制，不同行動能力的個體才能在同一個群體中協調地共存，以同樣的平均速率向前遷移。進一步地，研究人員利用合成生物學手段對細菌的敏感度進行了人工調控，成功地驗證了這個協調機制的作用。
這個研究為我們展示了一種簡單而穩健的群體協調機制：只要在群體中建立一個後面強前面弱的推動作用，就可以保證不同行動能力的個體以同樣的速率前進。它不僅可以解釋許多生命體的群體遷移行為，還對人類社會更復雜的群體協作提供了參考。
圖 | 細菌形成有序佇列示意圖。 來源：科研團隊陳茜、蔡卓苒、吳蔚。
中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所的助理研究員白陽與博士生何彩雲為論文共同第一作者，傅雄飛研究員為論文通訊作者。相關工作得到了中國科技部重點研發計劃專項基金、國家自然科學基金、中國科學院B類先導培育專項、中國科學院定量工程生物學創新交叉團隊、中國科學院定量工程生物學重點實驗室、廣東省合成基因組重點實驗室、深圳合成生物學創新研究院的經費支援。
參考資料：
［1］ Bai， Y。， He， C。， Chu， P。， Long， J。， Li， X。， & Fu， X。 （2021）。 Spatial modulation of individual behaviors enables an ordered structure of diverse phenotypes during bacterial group migration。 eLife 2021；10：e67316
［2］ Dufour， Y。 S。， Fu， X。， Hernandez-Nunez， L。， & Emonet， T。 （2014）。 Limits of Feedback Control in Bacterial Chemotaxis。 PLoS Computational Biology， 10（6）。
［3］ Fu， X。， Kato， S。， Long， J。， Mattingly， H。 H。， He， C。， Vural， D。 C。， Zucker， S。 W。， & Emonet， T。 （2018）。 Spatial self-organization resolves conflicts between individuality and collective migration。 Nature Communications， 9（1）。
PI簡介
傅雄飛，研究員，博士生導師。課題組主要研究方向是針對空間擴充套件人工生物系統相關的迴路設計、動力學模擬及穩定性分析等關鍵問題，透過數理模型和定量實驗相結合的手段開展研究。