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相互交换氨基酸的细菌稳定它们在二维表面上的伙伴关系，并限制非合作细菌进入交换的营养物。在天然微生物群落中，不同的细菌物种通常通过将氨基酸和维生素释放到其生长环境中来交换营养物，从而喂养其他细菌细胞。尽管释放的营养素在生产上的成本非常高，但细菌可以从细菌伴侣提供的营养物中获益。因此，该过程是代谢物的合作交换。马克斯普朗克化学生态研究所和耶拿弗里德里希席勒大学的科学家们已经证明，没有积极促进代谢产物生成的细菌可以被排除在合作利益之外。该研究小组证明，在二维表面上生长的协同交叉进食相互作用可以防止被机会性非合作细菌利用。在这些条件下，非交配细菌在空间上被排除在交换的氨基酸之外。这种保护作用可能在长期内稳定合作交叉互作。(ISME期刊，2015年12月)
由Christian Kost博士领导的研究小组“实验生态学和进化论”正在研究生物之间的合作相互作用是如何演变的。在这种背景下，科学家研究了一种特殊类型的分工，这种分工在自然界非常普遍，即单细胞细菌之间相互作用的营养交换。对于这些微生物，通常有利的是分开某些代谢过程的劳动而不是自主地执行所有生化功能。从事这种合作营养素交换的细菌可以节省大量的能量。
事实上，在之前的一项研究中，研究人员已经证明，这种代谢分工可以对细菌生长产生积极影响。在这项新研究中，他们解决了如果非合作细菌消耗氨基酸而不提供营养物质，这种合作相互作用如何能够持续存在的问题。合作细胞的进化劣势可能导致交叉进食相互作用的崩溃。
为了通过实验验证这种可能性，科学家们已经监测了合作和非合作细菌的共培养。为此，他们通过遗传工程改造了两种细菌物种的“合作者”，这些细菌物种将一定数量的氨基酸释放到其环境中。“事实上，非合作者在混合良好的液体培养基中比合作者长得更好，因为在这些条件下，他们可以不受限制地获取培养基中的氨基酸。然而，它们的生长在放置时大大减少了。在一个二维表面上，“科斯特说，总结了实验结果。更详细的分析表明，非合作细菌只能存在于由合作细菌组成的集落边缘。
对于他们的研究，科学家们结合了不同的方法和技 该基础形成了一种称为“合成生态学”的新研究方法，其中某些突变被合理地引入细菌基因组中。然后将得到的细菌突变体共培养并分析它们的生态相互作用。与此同时，生物信息学系弗里德里希席勒大学的同事开发了计算机模型来模拟这些相互作用。最后，使用质谱成像的化学分析有助于可视化细菌代谢物。只有微生物学方法与化学分析方法和计算机模拟的结合才能使科学家理解和阐明这一现象。
“这样一个简单的原则可以有效地稳定这种复杂的相互作用这一事实表明，类似的现象可能在自然细菌群落中发挥重要作用，”Christian Kost说。毕竟，细菌主要出现在所谓的生物膜中 - 这些是由许多细菌物种组成的表面附着的粘液层。已知的实例包括引起废水处理厂中使用的牙菌斑或细菌群落的细菌。此外，生物膜与医学研究高度相关：它们不仅通过保护细菌病原体免受抗生素或患者的免疫反应而在许多传染病中发挥重要作用，而且在植入和扩散到医疗植入物表面时也存在很大问题。
这项新研究已经阐明，合作细菌形成细胞簇，并以这种方式将非合作细菌排除在它们的群落之外。“这种机制的重要性在于，不需要实现复杂或新进化的条件，例如对潜在合作伙伴的认可，以有效地稳定这种长期伙伴关系。两种合作细菌菌株和两种 - Kost解释说，尺寸表面足以发挥这种保护作用。
该研究提出了研究人员计划在未来解决的许多令人兴奋的新问题。例如，当涉及两个以上的细菌伴侣时，他们对是否发生类似的协同效应感兴趣。在它们的自然栖息地中，可能有两种以上的细菌物种参与这种合作相互作用，导致相当复杂的相互作用网络。此外，本研究合成产生产氨基酸的细菌突变体。在土壤等栖息地中发生的自然进化的“合作者”是否表现出类似的动态，还有待验证。鉴于细菌经常出现在生物膜中，合作交叉喂养可能比以前认为的要广泛得多。因此，细菌生长可以为如何对抗有害细菌或更好地利用有益细菌提供重要线索。[CK / AO]
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