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吴艺林组发现细菌群体耐药性的物理机制 ​

2020年3月3日,香港中文大学物理系暨深圳研究院吴艺林课题组在PNAS杂志上发表了题为Dynamic motility selection drives population segregation in a bacterial swarm (运动选择性促进细菌集群的群体区隔)的研究论文,报道了细菌群落中子群体竞争生存空间的一种生物物理机制,该机制为控制细菌的群体耐药性提供新的思路,并有助于深入理解细菌的种群扩张动力学。

吴艺林组发现细菌群体耐药性的物理机制 ​

吴艺林组发现细菌群体耐药性的物理机制 ​

种群扩张是生态系统的演化和疾病传播过程中的重要环节。与其它生物系统类似,微生物的种群扩张主要受生长和运动两个因素调控。在演化时间尺度上(即微生物繁殖数十代或者更长的时间),子群体的运动能力通常与其生长速率相关,这种相关性对子群体之间竞争生存空间的影响是微生物生态学研究经常关注的问题。然而,在较短的时间尺度上,当生长速率的差异还不足以通过自然选择影响种群结构时,人们一般认为个体的运动会模糊子群体的边界,促进不同子群体的融合而非区隔。与此常识相反,吴艺林课题组发现,微生物集群可以利用子群体之间运动能力的差异,通过一种动态运动选择机制来进行有效的群体区隔。这种“动态运动选择性”来源于个体运动持续时间与运动能力的关联:在微生物集群中,虽然每个个体由于频繁的碰撞而经常随机转向,但是运动速度更快的个体有更大的概率保持运动方向;如果运动方向在空间中的分布呈现不对称性(譬如偏向于种群扩张方向),那么个体运动持续时间与运动能力的正相关就会导致不同子群体的快速区隔。

微生物生态学模型通常认为群体演化动力学主要基于对生长优势的自然选择。该研究表明,对运动优势的“自然选择”可以成为较短时间尺度上群体动力学的主要驱动力。因此,运动选择性可能促进微生物的应激反应。为了证实这一点,该课题组进一步以细菌的群体耐药性为例研究微生物的应激反应。细菌对药物的短期耐受能力能够加速基因突变和适应性进化,是细菌产生可遗传的抗药性的途径之一。细菌集群在扩张中对多种药物呈现群体耐药性,然而这种短期群体耐药性产生的机理尚不明确。该课题组发现,细菌集群对氨基苷类(aminoglycosides)抗生素的群体耐药性可以用运动选择性来解释。当细菌集群遇到抗生素压力时,由于群体中的细菌个体在抗生素耐受性上的天然区别(heteroresistance),耐受性更强的子群体保留了更强的运动能力,并且通过运动选择性被富集到细菌集群的扩张边界附近,从而帮助整个群落在药物压力下维持扩张。

吴艺林组发现细菌群体耐药性的物理机制 ​
图1. 具有不同运动能力的子群体在细菌集群扩张过程中通过“动态运动选择”机制竞争空间(示意图)。
吴艺林组发现细菌群体耐药性的物理机制 ​
图2. 细菌群落中“动态运动选择性”来源于个体运动持续时间(橙色线)及其偏向性(蓝色线)与运动能力的正相关。
该研究作者为香港中文大学物理系博士生左文龙和导师吴艺林。
原文链接:https://www.pnas.org/content/117/9/4693

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