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研究意外製「細菌藝術」 助醫學界了解細菌共同擴散模式

2020/1/16 — 17:05

在實驗室用大菜 (agar) 培養基培養細菌是件正常不過的事,不過每種細菌都有自己的生長速度與模式,如果將兩種細菌混和在同一培養基又會怎樣呢?最新刊於 eLife 的聖地牙哥加州大學研究發現,當緩慢穩定一簇簇生長的大腸桿菌 (Escherichia coli) 遇上快速向外擴散生長的不動桿菌 Acinetobacter baylyi ,兩者會共同如花朵盛開一樣生長。

團隊明言,這是一個意外發現,但也可讓學者分析兩種細菌生長的動力學過程,從而了解「細菌花」如何形成。

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有參與研究的電腦生物物理學家熊麗陽 (Liyang Xiong 譯音) 表示,團隊實際上是在另一個研究計劃中混合該兩種細菌,但隔晚已在培養皿中發現了神秘的「細菌花」。他更形容兩種細菌的互動猶如「藝術家」。

團隊以數學模型了解兩者互動如何影響生長模式,團隊在模型中輸入兩種細菌的物理特性、生長速度、形態與有效摩擦力等數據。團隊指, A. baylyi 能快速生長全靠其纖細的菌毛 (pili) ,可推動其到需要的地方,相反大腸桿菌沒有菌毛,因此生長得較慢且成簇地活動。

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團隊發現,當將兩種細菌置於大菜培養皿時,大腸桿菌會「搭順風車」靠不斷擴展的 A. baylyi 推至外圍,但同一時間因為大腸桿菌生長時的阻力,令最外圍不穩定的 A. baylyi 被拖回較中心位置;在大腸桿菌較少的地方, A. baylyi 更快地向外擴展,但當有較高濃度的大腸桿菌時生長就較慢,兩種生長活動結果都會產生這種「細菌花」生長模式。

團隊指,任兩種有高活動能力與低活動能力的細菌混合,都會出現類近效果。

Xiong, L. & et al. (2020).

Xiong, L. & et al. (2020).

發現不止是一個有趣的效果,也對微生物學界有實際好處,可幫助專家了解在野生細菌不同菌落中觀察到的複雜生長模式。此外,當身體要植入起搏器和導管等長期醫療設備和植入物時,細菌感染是個重大問題,而這研究發現到多於一種細菌共同擴散的模式,亦可由此找到改善植入物衛生的方法。

電腦生物學家 Lev Tsimring 指,細菌模式的形成在過去數十年都是學界的研究重點之一,但大部份實驗室研究和理論模型都集中在單菌株菌落的動力學上;自然棲息地中的大多數細菌菌株群落都共同生活,研究人員終於開始尋找到牠們「同居」的情況。

來源:
Science Alert, Scientists Discover Stunning Flower-Like Patterns When Bacteria Combine, 15 January 2020

報告:
Xiong, L., Can, Y., Cooper, R. & et al. (2020). Flower-like patterns in multi-species bacterial colonies. eLife 2020;9:e48885. DOI: 10.7554/eLife.48885

文/Alan Chiu 、審核/Edward Ho

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