代谢与生物物理耦合建模揭示细菌菌落复杂形态的形成机制

来自Cell Systems的研究团队通过计算时空微生物生态系统(COMETS)模型，创新性地整合动态通量平衡分析与生物量传播动力学，首次实现了大肠杆菌菌落生长过程中代谢反应与物理扩散的全耦合模拟。该研究不仅重现了光滑-分叉菌落的形态转变和遗传多样性衰减过程，更发现了一种新型"代谢环"结构——其形成机制完全不同于咖啡环效应，为预测性微生物生态系统建模奠定了方法论基础。

　　

这项突破性研究通过计算时空微生物生态系统(Computational Modeling of Microbial Ecosystems in Time and Space, COMETS)技术，将动态通量平衡分析(dFBA)与生物量传播动力学精妙耦合，构建出能模拟大肠杆菌(E. coli)菌落复杂形态演化的创新模型。

研究发现，菌落形态受三重机制调控：代谢反应网络决定能量获取效率，营养扩散梯度驱动空间扩张，而生物力学作用则塑造宏观结构。特别有趣的是，模拟揭示了"代谢环"现象——当胞外营养浓度达到临界阈值时，菌体会在特定径向位置形成环状增殖带，这种结构虽形似咖啡环，实则源于完全不同的代谢-扩散耦合机制。

通过对比模拟与实验数据，研究者证实：菌落分叉程度与遗传多样性呈负相关，分支结构会物理隔离不同菌株；而光滑边缘菌落则加速基因漂变(genetic drift)。该模型成功预测了从均质圆盘到分形结构的形态相变临界点，为合成生物学菌膜工程和抗生素耐药性演化研究提供了全新定量工具。