微生物是如何从食物的“菜单”中做出选择的?

Researchers in the study — 图片:从左起，Zihan Wang, Veronika Dubinkina和Sergei Maslov开发了一个模型来理解不同物种如何在一个群落中共存。

微生物群落通常包含几个共存的物种，尽管它们有相似的代谢能力。他们是如何做到这一点的还不清楚。研究人员现在开发了一个模型，表明如果这些物种对它们所吃的食物有互补的偏好，它们就更容易共存。

许多微生物都是双辅助生长的——它们一次只消耗一种可用的食物资源，而不是同时消耗。每个物种都有一个特定的偏好顺序，从最受欢迎到最不受欢迎。重要的是，这个列表在不同的微生物中是不同的。有趣的是，像葡萄糖这样的糖本应受到普遍重视，但有些微生物却不喜欢，这让它们可以从同一份菜单中选择不同的食物。

生物工程教授、Bliss学院学者Sergei Maslov (BCXT/CABBI)说:“虽然diauxic生长在20世纪40年代就被发现了，但人们还没有从建模的角度对它给予足够的关注。”“我们有这个令人难以置信的微生物生态系统动物园，到处都有，人们正试图了解是什么让不同物种共存。我们想了解二元生长群落的基本组成原则。”

研究人员模拟了在一系列稀释培养基中微生物群落的组装，在此培养基中，细菌在一批新鲜的营养物质中生长一段时间，然后再次被稀释。“系列稀释实验是在实验室中进行的最简单的实验，它们代表了自然界的兴衰情景。例如，在肠道中，你可能有一批新鲜的营养物质，这些营养物质被微生物利用，直到它们耗尽食物。在每个繁荣周期结束时，都会出现以稀释为代表的萧条周期。

“每个物种都有一个预先确定的喜好列表，这是固定在其DNA中的。我们假设，并由实验支持的是，不同物种的营养消耗顺序是不同的。有些可能将葡萄糖作为首选，而另一些则使用，例如乳糖。我们正在研究营养多样性和微生物偏好之间的相互作用，”Maslov说。

在这个模型中，研究人员首先假设一个物种可以在四种食物资源中生长。它首先在最优先的资源上增长，直到它耗尽，然后切换到下一个资源。当所有资源耗尽后，一小部分细菌被转移到新一批资源中，导致一系列的稀释。在这一点之后，随机选择的第二个物种被引入，研究人员模拟了由此产生的竞争和资源消耗。这个过程会持续下去，直到随机池中没有其他物种能够入侵群落。在许多这样的模拟中，最终群落中的微生物往往具有互补的资源偏好，即它们的首选都是不同的。

虽然有人可能会猜测微生物的首选是它生长最快的地方，但该模型并没有这样的假设。“实验表明，你喜欢什么和你在这方面的成长速度之间并没有明确的关系。然而，组装的群落几乎完全由微生物组成，这些微生物在它们首选的营养物质上生长得最快，”麻省理工学院博士后研究员、马斯洛夫实验室的合作者阿克什特·戈亚尔说。

研究人员在他们的模型中使用了大量随机产生的细菌。因此，他们正在寻找不依赖于细菌身份的模式。“我们创建了一个几何理论，你可以抓住你的物种，查看它们的偏好列表和不同营养素的生长速度，并预测实验的结果。即使没有进行模拟，你也可以预测一个物种是否会在一个特定的群落中生存下来。”

这项工作没有包括其他可能影响微生物生长的生长因子。“在我们的模型中，一种细菌生产出其他细菌可以使用的产品，我们没有考虑交叉喂养。我们假设所有的物种只能利用最初存在的资源，”马斯洛夫实验室的博士生王子涵(音)说。研究人员计划将交叉喂养纳入他们未来的研究，看看它是如何塑造微生物群落的。

Maslov说:“我们对将这个模型应用到真正的微生物生态系统很感兴趣，我们已经开始了另一个项目，看看在实际的连续稀释实验中会发生什么。”“制作一个庞大而复杂的模型非常容易。我们的理念是每次添加一个属性，如迪奥克或交叉喂养，并了解在每一步发生了什么。通过这种方式，你会逐渐更好地理解复杂的现实世界系统。”