混合細(xì)菌群體內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)可以產(chǎn)生復(fù)雜的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)。LMU研究人員正在探討差異增長(zhǎng)率和隨機(jī)因素之間的相互作用，以確定這些人群的組成。

細(xì)菌如何應(yīng)對(duì)環(huán)境波動(dòng)?他們?nèi)绾螒?yīng)對(duì)非生物脅迫或與其他微生物競(jìng)爭(zhēng)?在混合人口中，哪些因素決定了哪些競(jìng)爭(zhēng)物種或菌株最終勝出?這些問題不容易回答，因?yàn)榧?xì)菌群落代表了復(fù)雜而動(dòng)態(tài)的生態(tài)系統(tǒng)?？梢越柚趧?dòng)力學(xué)定律和概率論在抽象水平上研究生長(zhǎng)速率波動(dòng)對(duì)細(xì)菌培養(yǎng)物的影響，但結(jié)果必須通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。由Madeleine Opitz博士領(lǐng)導(dǎo)的LMU生物物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)，現(xiàn)在已經(jīng)使用這種實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)理論的組合來理解 - 從幾百個(gè)細(xì)胞到由數(shù)十億成員組成的可見集落 - 這些混合細(xì)菌種群的組成變化，其組成菌株相互競(jìng)爭(zhēng)。結(jié)果顯示在開放訪問期刊中PLOS生物學(xué)。

該研究顯示，在Opitz及其同事選擇的模型系統(tǒng)中，當(dāng)細(xì)胞數(shù)量仍然相對(duì)較小時(shí)，獲勝方在人口增長(zhǎng)的早期階段變得明顯。研究人員檢查了由兩株大腸桿菌組成的混合種群的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)。其中一種可以合成和釋放稱為ColicinE2的毒素，第二種菌株對(duì)其敏感。

僅憑這些信息，就不需要花太多時(shí)間來確定哪種應(yīng)變能夠勝出。但實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜。首先，起始種群中毒素敏感細(xì)胞的數(shù)量超過毒素生產(chǎn)者的數(shù)量100倍。其次，并非每個(gè)潛在的生產(chǎn)者實(shí)際上都合成了ColicinE2，而且毒素的釋放伴隨著生產(chǎn)細(xì)胞的死亡。 。在這些條件下，生產(chǎn)者應(yīng)變中會(huì)出現(xiàn)明顯的分工。一些細(xì)胞產(chǎn)生毒素，而其余細(xì)胞則承擔(dān)繁殖和繁殖的任務(wù)。采用這些角色的細(xì)胞部分部分取決于環(huán)境的性質(zhì)。在壓力條件下刺激毒素產(chǎn)生，研究人員通過向培養(yǎng)物中添加不同濃度的抗生素來實(shí)施。正如Opitz解釋的那樣，抗生素形式的壓力會(huì)激活細(xì)菌中特定類型的SOS功能，從而引發(fā)對(duì)策并促進(jìn)毒素的產(chǎn)生(而抗生素也會(huì)降低整體生長(zhǎng)速度)。

在沒有添加抗生素誘導(dǎo)的應(yīng)激的情況下，敏感菌株在開始時(shí)以毒素生產(chǎn)者的100倍過量存在，通常會(huì)勝出，盡管在這些條件下也觀察到兩種菌株的穩(wěn)定共存。。另一方面，在含有低水平抗生素的培養(yǎng)物中，生產(chǎn)者群體內(nèi)的分工使其具有決定性的優(yōu)勢(shì)，并且在絕大多數(shù)情況下，它成為勝利者。

盡管生殖和毒素生產(chǎn)的“責(zé)任”分布定義了可獲得的結(jié)果范圍，但是在接種培養(yǎng)物后的最初幾個(gè)小時(shí)內(nèi)產(chǎn)生毒素的菌株的個(gè)體成員做出的決定決定了每個(gè)競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)際結(jié)果。單個(gè)細(xì)菌細(xì)胞產(chǎn)生ColE2的“決定”是隨機(jī)事件。可以預(yù)測(cè)一系列隨機(jī)事件的平均結(jié)果，就像一系列骰子投擲結(jié)果的整體分布一樣。但是，任何給定細(xì)胞產(chǎn)生毒素的可能性都不容易評(píng)估。這些統(tǒng)計(jì)波動(dòng)產(chǎn)生背景噪聲，這使得數(shù)學(xué)模型難以針對(duì)這種概率過程的各個(gè)迭代提供清晰的預(yù)測(cè)。Opitz說，在初始接種物中偶然包含產(chǎn)生毒素的細(xì)胞(1或4)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果有重要影響。

“這是有趣的觀察，”言論第一作者本尼迪克特·馮·布朗克，通過在一開始就存在于培養(yǎng)細(xì)菌的小號(hào)碼中隨機(jī)事件決定選擇怎樣對(duì)一個(gè)更大的組成這種影響人口的細(xì)胞在很久以后。“