我科研團隊揭秘微生物“自我犧牲”行為

◎本報記者 羅雲鵬 通訊員 趙梓杉

“自殺式攻擊”是蜜蜂的生存智慧之一。當工蜂將尾針刺入人體並強行掙脱時，會因內臟撕裂而死亡，但這一過程中釋放的報警信息素能迅速召集同伴。同時，留在被蜇者皮膚上的毒液會加劇其它蜜蜂的攻擊性。

雖然個體生命消逝，但個體行為有效保護了蜂巢安全。這種“自我犧牲”行為在生物界廣泛存在。然而，在生物演化過程中始終存在着一個謎題：既然這些個體無法存活下來繁殖後代，相關的基因似乎也會逐漸消失。那麼，這種行為是如何在自然選擇過程中得以延續的呢？

日前，中國科學院深圳先進技術研究院定量合成生物學全國重點實驗室研究員黃術強及傅雄飛團隊，通過定量合成生物學方法揭示了微生物如何在壓力環境中通過“自我犧牲”行為實現羣體生存的機制。相關成果發表在《國際微生物生態學會》期刊上。

基於合成生物學技術，研究團隊在前人構建的具有“自我犧牲”特性的犧牲者菌株的基礎上，進一步構建了不具有“自我犧牲”特性且無法生產抗生素降解蛋白的作弊者菌株。

犧牲者菌株內置裂解蛋白，受外界刺激後會破裂釋放β-內酰胺酶，定向降解抗生素以減輕環境壓力。犧牲者菌株雖死亡，但其酶解作用使羣體存活率提高。這證實，在微生物羣落中，通過環境壓力調控的利他行為可以使種羣獲得顯著進化優勢。

那麼，這種極端模式在物種進化的過程中為何能一直存在呢？

理論研究揭示，在強分散環境，即微生物被分隔成僅含1到2個個體的微小單元后，環境壓力增加或遇到外敵入侵時，犧牲者羣體通過主動消亡釋放降解抗生素的公共產物，提高羣體整體存活率；而作弊者羣體因缺乏個體的貢獻，整個羣體逐漸被淘汰。最終，大量具備“自我犧牲”行為的個體得以保留，從而使得犧牲基因能夠穩定流傳。研究還發現，環境壓力越大，這種“自我犧牲”行為的保留效果越顯著。

儘管理論分析表明，在強分散環境中，自我犧牲行為可以維持並演化，但實驗驗證仍面臨諸多挑戰。主要難點在於構建一個可重複的實驗方案來模擬演化過程。

研究團隊利用構建的合成生物學系統來分別模擬犧牲者菌株和作弊者菌株，並用機器替代了人工操作。團隊將不同體積的菌液精準加入每塊384孔板中，利用高通量、標準化、自動化的機器完成了繁瑣的手工實驗，解決了難題，提高了實驗效率。

實驗結果證明，分散強度與選擇壓力都會影響“自我犧牲”行為。弱分散環境有利於作弊者菌株的演化，而強分散環境更有利於犧牲者菌株的演化。這種效應隨着環境壓力的升高而呈指數級增強。

該研究展示了定量合成生物學在探索複雜演化現象中的巨大潛力。研究成果不僅有助於解析自然界中極端利他行為的演化邏輯，還可能為生物膜控制、抗生素耐藥性治理等實際應用提供新的理論指導。