细胞长宽比通过集体定向排列在范围扩张中赋予竞争优势

《Nature Communications》：Emergent collective alignment gives competitive advantage to longer cells during range expansion

本研究针对细菌竞争中形态学因素的作用机制尚不明确的问题，开展了关于细胞长宽比对范围扩张竞争优势影响的研究。研究人员通过实验、基于个体的模型和连续介质模型，发现更长的细胞能通过形成向前的向列型“通道”而占据扩张前沿，即使初始数量处于劣势。这一由简单形态特征驱动的机械性优势机制，为理解生物膜结构控制和微生物群落演化提供了新视角。

　　

在微生物世界中，细菌为了生存和繁衍，无时无刻不在进行着激烈的竞争。这种竞争塑造了生物膜的结构，并影响着从人体健康到环境修复等诸多领域。然而，究竟是什么因素决定了竞争的胜负？是特定的基因、更快的生长速度，还是其他不为人知的特征？长期以来，科学家们一直在寻找一个普遍适用的决定性因素，但答案依然扑朔迷离。以往的研究多聚焦于运动性相关特征或特定的分子机制，而一个简单且普遍的形态特征——细胞的长宽比（aspect ratio）——其潜在作用却被忽视了。理解这一简单特征如何影响竞争结果，对于控制有害生物膜、调控微生物群落具有深远的意义。

为了回答上述问题，来自丹麦哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所和丹麦技术大学的一支研究团队，由 Nathan van den Berg, Kristian Thijssen, Thu Trang Nguyen 等共同领导，在《Nature Communications》上发表了他们的最新研究成果。他们发现，在细菌群落的范围扩张过程中，更长的细胞竟然能够战胜更短的细胞，即使它们最初在数量上处于绝对劣势。这一优势并非来自生长速率的差异，而是源于一种由细胞间机械相互作用引发的集体定向排列行为。

研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：首先，他们使用了三种长宽比不同的非运动性大肠杆菌B亚型（野生型WT和两种mreB突变体AS、AK）进行竞争实验；其次，通过基于个体的模型（agent-based model）模拟细菌在二维表面的生长和相互作用；再次，利用连续介质模型（continuum model）从理论层面验证机制；此外，还通过单细胞分辨率的时间推移成像（time-lapse imaging）和共聚焦激光扫描显微镜（confocal laser scanning microscopy, CLSM）观察细胞行为；最后，通过三维球状范围扩张实验验证了结论的普适性。

长细菌独占鳌头——即使初始数量落后

研究团队首先将表达绿色荧光蛋白（GFP）的野生型大肠杆菌（WT，较长）与表达红色荧光蛋白（RFP）的mreB突变体（AK，较短）按不同比例混合，并接种在琼脂平板上进行范围扩张实验。令人惊讶的是，在20小时的培养后，无论初始混合比例如何（从1:1到1:1000），更长的WT细菌始终占据了菌落扩张的最外围区域，即竞争优势最明显的位置。即使当WT细胞在接种时仅占千分之一（ζ=0.001），它们最终也能形成扇区并逐渐蔓延，最终接管扩张前沿。研究人员还引入了另一种具有中等长宽比的mreB突变体（AS）进行三组两两竞争，结果同样表明，长宽比更大的菌株总是胜出。定量分析显示，在菌落扩张前沿，长细胞的占据强度S(r)随着径向距离r的增加而趋向于1（完全主导）。这表明细胞长宽比是决定非运动性大肠杆菌在单层扩张前沿竞争结果的关键因素。

定向排列诱导的机制赋予长细菌机械性优势

为了探究这一现象背后的机制，研究人员建立了一个最小化的基于个体的模型。在该模型中，细菌被模拟为在二维表面上生长、分裂并具有排斥作用的非运动性棒状颗粒。模拟结果清晰地再现了实验中观察到的现象：更长的细菌在种群交界处会沿着径向排列，形成所谓的“向列型臂”（nematic arms），这些臂状结构像通道一样将菌落中心区域与扩张前沿连接起来，使得长细胞能够更有效地到达前沿。一旦到达前沿，长细胞会调整方向，使其平行于扩张前沿排列，从而形成一个屏障，阻挡了更短细胞获取营养和空间的机会。为了验证模型预测，研究团队进行了单细胞分辨率的时间推移成像实验。他们发现，获胜的WT细菌确实在菌落内部沿径向排列，而在扩张前沿则平行于前沿排列。同时，通过计算局部向列序参数（nematic order parameter, q），证实了WT细胞之间的排列有序性随着时间显著增强，而AK细胞的排列则相对较弱。此外，一个通用的双相活性向列型连续介质模型也表明，即使不考虑生物量的增加，仅凭长细胞具有更高的弹性常数和扩张活性（模拟分裂产生的偶极力），它们也能通过“活性锚定”（active anchoring）机制在界面处占据优势。这些结果共同揭示了一个纯粹的机械性机制：长宽比通过影响细胞间的扭矩和局部排列，使得长细胞在集体运动中获得了竞争优势。

接管速率由长宽比差异和短细胞长度共同决定

接下来，研究人员量化了长细胞接管扩张前沿的速率。实验数据显示，接管速率v与竞争菌株的长宽比差异有关，差异越大，接管越快（例如WT/AK的组合比WT/AS的组合接管更快）。然而，一个有趣的发现是，当长宽比比值相近时（WT/AS 和 AS/AK 的比值均约为1.5），WT/AS（最长对中等）的接管速率却显著慢于AS/AK（中等对最短）。基于定向排列机制起主导作用的结论，研究团队推测这与细菌形成向列型区域的能力有关。基于个体的模型分析表明，当竞争双方都具备局部定向排列能力（即都处于向列态）时，接管速率会下降。在WT/AS组合中，WT和AS细胞都能形成向列型排列，而在AS/AK组合中，只有较长的AS细胞能形成向列型排列，较短的AK细胞则表现为各向同性。因此，在AS/AK的界面处，向列型梯度更大，活性锚定效应更强，导致了更快的接管。这一发现进一步强调了径向排列是由向列型细菌与各向同性细菌之间的相互作用所驱动的。

三维空间中的竞争强度减弱

最后，研究团队将实验拓展到三维环境。他们通过将WT和AK细胞封装在微小的接种珠中，并将其嵌入低浓度琼脂中，模拟三维球状范围扩张。通过对培养10小时后形成的三维菌落表面进行分析，他们发现长细胞（WT）仍然具有竞争优势，但其优势程度相较于二维表面附着生长的情况有所减弱。例如，当WT在接种珠中仅占约2%时（1/ζ_n=47），其在最终菌落表面仍能占据约6%的面积。这与理论预期一致，因为在三维空间中，向列型排列的约束会减弱，从而削弱了长细胞基于排列的机械优势。

这项研究通过严谨的实验、模型和理论分析，揭示了一个简单而此前被忽视的机制：细胞的长宽比通过引发集体定向排列，在细菌的范围扩张竞争中起到了决定性作用。这一发现具有重要的理论和应用价值。从进化角度看，它解释了为何在空间受限、营养供应不可预测的自然生境（如土壤、动物组织）中，杆状（rod-shape）形态可能更具优势，这与长期液体培养实验中观察到的细胞趋向于变短变圆以提升代谢效率的现象形成了有趣的对比。从应用角度看，由于生物膜影响着人类活动的诸多方面（如工业设备生物污损、人体微生物组变化等），该研究为通过基因工程技术调控细菌形态（例如改变长宽比）来控制生物膜提供了一条通用的、非物种特异性的新途径。这种由简单形态特征驱动的机械性竞争机制，很可能普遍存在于各种细菌中，为理解和操控微生物群落开辟了新的方向。