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实验（通过质谱成像，左侧的细菌菌落和氨基酸测量）对应于计算机模拟（右）：合作细菌以红色显示，非合作细菌是绿色的。机会主义的细菌只能存在于合作细菌菌落的边缘上。白色盒子显示氨基酸的浓度，在合作细菌附近（上图）高。相比之下，在周围的非合作细菌（下面）周围的区域中，几乎不会检测到氨基酸。© S. Pande / F. Kaftan，MPI化学生态，S. Lang，Friedrich Schiller大学Jena
新的研究表明，相互交换氨基酸的细菌，稳定在二维表面上的伙伴关系，并限制非合作细菌的进入交换营养。
在天然微生物群落中，不同的细菌种类通常通过将氨基酸和维生素释放到它们的生长环境中来交换营养，从而喂养其他细菌细胞。尽管释放的营养成本高昂的营养成本昂贵，但细菌受益于其细菌合作伙伴的营养素提供回报。因此，该过程是代谢物的合作交换。Max Planck化学生态学研究所的科学家和耶拿弗里德里希席勒大学已经表明，没有积极促进代谢产量的细菌可以被排除在合作福利之外。研究小组证明，在二维表面上生长的合作交叉喂养相互作用受到影响因机会主义的非合作细菌的利用。在这些条件下，不合作的细菌在交换氨基酸中被排除在外。这种保护效果可能稳定在长期的合作交叉喂养相互作用。
由基督教Kost领导的研究组“实验生态和演变”正在研究有机体之间的合作相互作用如何发展。在这方面，科学家研究了一种特殊类型的劳动力，本质上是非常常见的，即单细胞细菌中营养物质的互惠交换。对于这些微小的生物来说，遍历某些代谢过程的劳动而不是自主地执行所有生物化学功能是有利的。从事这种合作营养素交换的细菌可以节省大量的能量。
实际上，在先前的研究中，研究人员已经证明这种代谢劳动力可以积极影响细菌生长。在新的研究中，如果非合作细菌消耗氨基酸而不提供营养物，则解决这些合作互动如何持续的问题。对协同细胞的结果的进化缺点可能导致交叉喂养相互作用的崩溃。
为实验验证这种可能性，科学家们监测了合作和非合作细菌的共同培养。为此，它们转基地工程化的“合作者”的两种细菌物种，将释放量增加的某些氨基酸进入其环境。“事实上，非合作者比混合液体介质中的合作者更好地增长，因为在这些条件下，它们对培养基中的氨基酸具有不受限制的进入。然而，当放置在二维表面上时，它们的增长显着减少，“克朗特总结了实验结果。更详细的分析表明，非合作细菌只能存在于由配合细菌组成的菌落的非常条纹。
为他们的研究，科学家们组合了不同的方法和技术。该基础形成了一种名为“合成生态”的新研究方法，其中某些突变是合理引入细菌基因组的。然后将得到的细菌突变体共培养，分析了它们的生态相互作用。与生物信息学系Friedrich Schiller大学的同事们开发了计算机模型以模拟这些互动。最后，使用质谱成像的化学分析是用于可视化细菌代谢物的仪器。只有微生物方法与化学分析方法和计算机模拟的组合使科学家能够理解和阐明这种现象。
“这种简单的原理可以有效地稳定这种复杂的相互作用的事实表明，类似的现象可能在天然细菌社区中发挥重要作用，”基督教克朗特国家。毕竟，细菌主要发生在所谓的生物膜中 - 这些是由许多细菌种类组成的表面连接的粘液层。已知的实例包括导致废水处理厂中使用的牙菌斑或细菌群的细菌。此外，生物膜对医学研究非常相关：它们不仅通过保护来自抗生素或患者的免疫反应的细菌病原体来对许多传染病发挥重要作用，但在殖民和在医疗植入物的表面上撒上殖民和传播时也是非常有问题的。
这项新的研究阐明了配合细菌形成细胞簇，以这种方式排除了他们社区的非合作细菌。“这种机制的重要性是由于没有复杂或新进化的条件，例如潜在合作伙伴的认可，需要得到有效地稳定这种长期伙伴关系。克朗特解释说，两个合作的细菌菌株和二维表面足以发生这种保护效果。
该研究提出了许多新的令人兴奋的问题，研究人员计划在将来解决。例如，它们对涉及两种以上的细菌合作伙伴时是否发生类似的协同效应感兴趣。在他们的自然栖息地中，可能有两个以上的细菌种类参与了这种合作互动，导致相当复杂的互动网络。此外，在本研究中合成产生氨基酸产生的细菌突变体。在像土壤中发生的栖息地发生的自然演化的“合作者”是否显示出类似的动态，仍有待验证。鉴于细菌经常发生在生物膜中，合作的交叉喂养可能比以前认为更广泛。理解促进或抑制细菌生长的因素和机制可以为如何对抗有害细菌或更好地使用有益的细菌提供重要的线索。
出版物：Samay Pande等人，“合作福利的私有化稳定在空间结构化环境中的互动交叉喂养相互作用，”ISME杂志2015; DOI：10.1038 / ISMEJ.2015.212
