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细菌细胞通过使用化学信号分子相互通信，它们合成并分泌到周围环境中。通过这种方式，可以控制和协调整个人口的行为。由LMU生物和统计物理学教授Erwin Frey教授领导的生物物理学家现在已经在理论上证明了即使只有一部分细胞实际发出必要的信号，这也是如何实现的。新发现出现在在线期刊eLife中。
一旦相关信号分子的浓度在环境中达到某一阈值水平，细菌就可以通过实施特定的行为反应来共同响应，例如生物发光化合物的产生或生物膜的形成。这种机制被称为“群体感应”。该术语源自最初认为所有细胞产生信号，使其在环境中的浓度直接反映出存在的细胞数量。然而，最近的调查表明情况并非总是如此 - 即使在遗传上相同的人群中也是如此。“我们有兴趣了解这种表型异质性如何在细胞在遗传上相同并暴露于相同环境条件的情况下出现，”新论文的第一作者之一Johannes Knebel说。
Frey和他的同事利用数学模型分析了生态因素和种群动态之间复杂的相互作用，并且能够证明种群确实能够以协调的方式响应化学信息，即使信号分子仅由一部分生成。细胞。“为了实现这一目标，必须满足两个先决条件”，克内贝尔说。“首先，人口中的所有细胞必须能够对环境中信号的实际水平做出反应 - 换句话说，他们必须能够感知信号并增加其产量。第二个先决条件是合成信号的分泌会降低生产细胞的适应性。例如，如果信号产生需要能量消耗，就会出现这种情况，
在这些条件下，模型中的非生产细胞总是比生产者生长得更快。由于人口中的所有细菌都能感知到信号，因此非生产者可以通过自己成为生产者来应对其存在。另一方面，已经参与信号产生的细菌不会进一步提高其合成速率。“细菌会对自身形成的环境做出反应。这种生态反馈使得表型异质性成为可能在遗传上相同的群体中产生，”弗雷说。“我们的数学分析表明，一旦建立起来，这种异质性就可以稳定地持续存在并且对扰动很强。”
据推测，信号分子的这种异质生产可能对整个人群有利，因为它允许信号生产者和非生产者之间的分工，或者因为表型多样化的创造提供了更大的进化灵活性并使种群能够适应环境变化更快。然而，新论文的作者说，了解这些系统中表型异质性的生物学功能将需要专门的实验研究。
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