介绍
闭上眼睛想象细菌。 也许你在想象我们的肠道 大肠杆菌，或金黄色的葡萄球菌球，或莱姆病螺旋体的螺旋状小环。 无论物种及其形状如何，您的大脑都可能会联想到一个细胞，或者可能是几个自由生活的细胞。
这张图片的问题，微生物学家说 朱莉娅施瓦茨曼，是它不能反映大多数细菌的生存方式。 通常，细菌使用粘性分子将自己固定在表面上，在 大而稳定的集体 称为生物膜。 牙齿上的牙菌斑是一种生物膜； 导管上的感染、池塘浮渣的黏糊糊的绿色和堵塞浴缸排水管的粘性物质也是如此。
但施瓦茨曼最近的工作是她作为博士后研究员在实验室进行的 奥托·科尔德罗 麻省理工学院的研究表明，即使是漂浮在公海中的细菌也以多细胞形式存在，它们缺乏形成大型聚集体的锚点。
“我们看到了这些令人难以置信的结构，”她说。
正如 Schwartzman、Cordero 和他们的同事在他们的 最近的论文 当代生物学，这些多细胞形式的出现是因为细菌的生命周期比通常在单细胞生物中看到的要复杂得多。
晚餐公司
施瓦茨曼发现了这些关于海洋细菌多细胞性的发现，同时试图了解更基本的东西：它们是如何进食的。
在开阔的海洋中，海洋微生物的唯一能源通常是一种称为藻酸盐的凝胶状碳水化合物。 与容易穿过细胞膜的葡萄糖、果糖和其他单糖不同，海藻酸盐由长而卷曲的链组成，通常比以它们为食的细菌还要大。 施瓦茨曼想更多地了解细菌如何有效地盛宴，因为它们分泌的用于分解藻酸盐的消化酶很容易在开阔的海水中被稀释和冲走。
这就是为什么她和 Cordero 实验室的另一位博士后 Ali Ebrahimi 开始测量这种发光海洋细菌的生长情况 灿烂弧菌 在装有海藻酸盐的温热肉汤烧瓶中。 在许多微生物学实验中，科学家们为微生物提供大量营养物质，以促使细胞尽快分裂，但 Schwartzman 和 Ebrahimi 的烧瓶迫使微生物 霍乱弧菌 细菌以相对少量的超大藻酸盐聚合物为生，就像它们在海中一样。
然而，当施瓦茨曼开始收集数据时，她认为自己犯了一个新手错误。 随着细菌的繁殖，它们将清澈的琥珀色培养肉汤变成浑浊的炖菜。 通过测量混浊度，Schwartzman 可以推断烧瓶中微生物的数量并构建生长曲线来估计细胞分裂的速度。 几十年来，细菌学家一直以这种方式估计生长速度。 作为一名博士后，施瓦茨曼已经数不清这些年来她做过多少次了。
她的成长曲线 霍乱弧菌 然而，文化并没有显示出通常平稳上升的线条，而是像过山车的轨道一样颠簸的曲线。 无论她重复这个过程多少次，细菌都不会在肉汤中产生预期的混浊。
一个显微的雪球
为了检查发生了什么，Schwartzman 将一滴培养液滴在玻璃显微镜载玻片上，并以 40 倍的放大率透过镜头观察。 她和易卜拉欣看到的不是一群群的个体 霍乱弧菌 而是由数百或数千个共同生活的细菌组成的美丽的分层球体。
“这不仅仅是一团细菌，”施瓦茨曼说。 “这是一个球形的东西，你可以看到细胞在中间混合。”
进一步的研究表明，空心球体 霍乱弧菌解决海上饮食的复杂挑战。 单个细菌只能产生这么多的酶； 分解海藻酸盐的速度要快得多 霍乱弧菌 可以聚集在一起。 施瓦茨曼说，这是一个制胜战略——在一定程度上。 如果有太多 霍乱弧菌，细菌的数量超过了可用的藻酸盐。
细菌通过发展更复杂的生命周期解决了这个难题。 细菌生活在三个不同的阶段。 起初，单个细胞反复分裂，子细胞聚集成团。 在第二阶段，聚集的细胞重新排列成一个空心球体。 最外层的细胞将它们自己粘合在一起，形成一个类似于微型雪球的东西。 里面的细胞变得更加灵活，在消耗捕获的藻酸盐时四处游动。 在第三阶段，脆弱的外层破裂，释放出营养丰富的内部细胞，重新开始循环。
有效， 霍乱弧菌 成为细胞的异质混合物，细菌使用不同的基因来控制它们在每个阶段的行为。 当细胞与结构中的邻居相互作用时，会出现“惊人的复杂性”，Schwartzman 说，她将于 XNUMX 月份在南加州大学建立自己的实验室。 “细菌不断从环境中获取信息，有时它们会以改变环境的方式做出反应。”
这种复杂性得到了回报 霍乱弧菌 在几个方面。 通过改变它们的生命周期以包括多细胞阶段，细菌可以有效地消化藻酸盐：它们的数量增加，空心壳有助于浓缩酶。 同时，群落的结构阻止了太多细胞的诞生。 壳中的细胞失去了繁殖的机会，但它们的 DNA 无论如何都会在下一代中存活，因为球体中的所有细胞都是克隆。
多细胞性有多普遍？
这部作品是“一张漂亮的纸”，根据 乔迪·范格斯特尔，他在欧洲分子生物学实验室研究微生物发育的进化，并没有参与这项研究。 Van Gestel 说，这些结果支持了这样一种观点，即微生物群落生活并非例外，而是常态。
“它完美地说明了这种简单细菌生命周期的复杂性，”他说。
阿纳希特·佩内斯扬澳大利亚麦考瑞大学的微生物学家说，Schwartzman 和 Cordero 的工作对细菌的成见提供了有益的挑战。 她说：“我们深知，微生物只是一个细胞。因此，研究人员通常不会寻找可能主导微生物生命的复杂行为。” “这就像看着植物种子或孢子并试图推断整株植物的样子。”
新的 霍乱弧菌 这一发现增加了越来越多的微生物，这些微生物至少可以在其生命的一部分时间内变成多细胞微生物。 去年，乔治亚理工学院的研究人员报告说，他们实验室中的单细胞酵母进化出了一种 巨大的多细胞形式 在短短两年内。 而在 XNUMX 月，日本的研究人员 宣布他们的发现 在洞穴壁上长成多细胞结构的细菌； 当岩石被地下溪流浸没时，这些结构会喷射出像种子一样的特殊细胞，以在其他地方定居。
Schwartzman 和 van Gestel 都认为，多细胞能力在生命历史的早期就进化了，并且与细菌的远古表亲——古细菌——似乎也是单细胞的——共享。 他们认为研究人员发现其他具有相似特性的物种只是时间问题——而施瓦茨曼已经开始寻找。
詹姆斯·夏皮罗来自芝加哥大学的退休微生物学家，毫无疑问她会找到它。
从 1980 年代开始，夏皮罗和其他微生物学杰出人物，如 邦妮巴斯勒 普林斯顿大学的研究表明，经过充分研究的细菌的单细胞生活方式通常是它们生长的人工烧瓶环境的产物。 在 一篇1998文章 ，在 微生物学年度回顾，夏皮罗认为细菌不是单细胞孤独者。 “我得出的结论是，基本上所有的细菌都是多细胞生物，”他说。
在他 XNUMX 年的职业生涯中，夏皮罗见证了他的假设从近乎异端转变为无可争议的。 “起初，我只是被迷惑了注意力，但现在它已成为传统观念，”他说。 “多细胞性是细菌的固有特性。”
编者按：Cordero 是 Simons Collaboration on Microbial Ecosystems 原理的联合主任。 Schwartzman、Cordero 及其同事的研究得到了西蒙斯基金会的合作支持，该基金会还赞助了这本编辑独立的杂志。
