当大肠杆菌菌株玩剪刀石头布时，最强大的并不是存活下来的

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细菌无处不在——不仅在浴室或厨房柜台上，而且在我们的体内，包括在微生物群经常活跃的肿瘤中。这些“小生态”可能是癌症药物治疗的关键，更多地了解它们有助于开发新的拯救生命的治疗方法。

当不同菌株的细菌出现在同一个系统中会发生什么?它们共存吗?最强壮的能活下来吗?在一场“剪刀石头布”的微生物游戏中，加州大学圣地亚哥分校生物电路研究所的研究人员发现了一个令人惊讶的答案。他们的研究结果题为“大肠杆菌菌株之间的非传递不对称相互作用中最弱的生存”，发表在最近一期的《美国医学杂志》上自然通讯．

研究团队包括生物工程和分子生物学教授杰夫·海斯蒂;Michael Liao和Arianna Miano都是生物工程专业的研究生;克洛伊·阮(Chloe Nguyen)是生物工程专业的本科生。他们设计了三种大肠杆菌(大肠杆菌)所以每个菌株产生的毒素都可以杀死另一个菌株，就像石头剪子布的游戏一样。

当被问及这个实验是如何进行的时，哈斯蒂评论说:“在合成生物学中，复杂的基因回路通常在生长在混合良好的液体培养基中的细菌中具有特征。然而，许多应用涉及的细胞被限制在表面上生长。我们想了解小型工程生态系统的行为，当相互作用的物种在一个更接近细菌可能在人体上定居的环境中生长时。”

包括一种毒素和两种免疫基因的工程菌株图。每种毒素针对大肠杆菌细胞中不同的基本生物成分。Cr:生物电路研究所/加州大学圣地亚哥分校

研究人员将三个种群混合在一起，让它们在培养皿中生长数周。当他们再次检查时，他们注意到，在多次实验中，相同的种群会占据整个表面，而且它不是最强的(具有最强毒素的菌株)。出于对这一结果的可能原因的好奇，他们设计了一个实验来揭示隐藏的动态。

有两种假设:要么中等人口(被称为“最强的敌人”，因为最强的人会攻击的菌株)会赢，要么最弱的人会赢。令人惊讶的是，他们的实验表明，第二个假设是正确的:最弱的种群始终占据着整个板块。

回到石头剪刀布的类比，如果我们假设“石头”的压力大肠杆菌具有最强的毒素，它会迅速杀死“剪刀”菌株。由于剪刀菌株是唯一能够杀死“纸”菌株的菌株，所以纸菌株现在没有敌人了。在一段时间内，它可以自由地慢慢侵蚀岩石菌株，而岩石菌株无法保护自己。

为了弄清楚这一现象背后的机制，研究人员还开发了一个数学模型，可以从各种各样的模式和密度开始模拟三个种群之间的战斗。该模型能够显示细菌在多种场景下的行为，具有常见的空间模式，如条纹，孤立的集群和同心圆．只有当应变最初以同心环的形式分布，最强的在中间时，最强的应变才有可能接管平板。

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据估计，人体内微生物的数量是人体细胞的10:1，一些疾病被归因于各种微生物群的不平衡。肠道微生物群的失衡与几种代谢和炎症疾病、癌症甚至抑郁症有关。设计能够长期共存的平衡生态系统的能力，可能会为合成生物学家和新的医疗保健疗法带来令人兴奋的新可能性。海斯蒂的团队正在进行的研究可能有助于为有朝一日设计健康的合成微生物群奠定基础，这些微生物群可用于提供活性化合物，以治疗各种代谢紊乱或疾病和肿瘤。

负责研究的副校长桑德拉·布朗说:“将分子生物学和生物工程结合起来，有可能改善世界各地人民的健康。如果他们没有合作，这一发现可能永远不会发生。这再次证明了加州大学圣地亚哥分校多学科研究的力量。”

生物回路研究所(BCI)是一个多学科研究单位，专注于理解跨越生物学尺度的生物调节回路的动态特性，从细胞内调节模块到种群动态和器官功能。BCI旨在开发和验证理论和计算模型，以理解、预测和控制复杂的生物功能。该研究所由来自加州大学圣地亚哥分校和其他当地机构的50多名教师组成，包括斯克里普斯研究所、索尔克研究所和桑福德-伯纳姆医学研究所。

这项工作得到了美国国立卫生研究院国家普通医学科学研究所的支持(资助号R01-GM069811)。Michael Liao获美国国家科学基金会研究生研究奖学金(授予DGE-1650112)。