■本报练习生 李蓉 记者 张双虎在人类肉眼难以觉察的微不雅天下中，微生物无处不在，它们之间的博弈与互动形成了庞杂的生态体系收集。铁是微生物保持生活的必须元素，也是微生物之间博弈互动所争取的中心稀缺资本。但是，微生物在铁元素博弈中遵守什么样的规矩，它们怎样竞争、怎样配合，又是怎样互动以争取铁元素的？现在，生物学界仍缺乏猜测微生物次级代谢的无效方式。克日，北京年夜学定量生物学核心教学李志远课题组结合南京农业年夜学LorMe试验室、瑞士苏黎世年夜学定量生物医学系教学Rolf Kümmerli开辟了一种从序列到生态的剖析方式，为懂得细菌的铁元素“博弈”规矩及微生物群落的生态跟演变供给了新角度。相干结果宣布于《迷信停顿》。微生物的“餐具体系”为处理“缺铁”成绩，微生物退化出一套“餐具体系”——铁载体跟受体。简略来说，细菌为了获取铁元素，会排泄一种名为铁载体的特别分子。它们在细胞外的情况中“巡查”，一旦碰到铁离子就将其牢牢“抓”住，而后把它保险送回细胞内。为此，细菌退化出响应的“收货体系”，即受体。只管种种细菌都能制作铁载体并应用受体来接受，但它们之间平日并不“兼容”。假如把铁载体懂得为“钥匙”，把受体懂得为“锁”，那么在细菌天下里，每把钥匙只能翻开与之配套的锁。这种高度特异性就像一套特殊的安保体系——细菌只能辨认跟应用特定型号的铁载体，对其他型号“熟视无睹”。论文第一作者、李志远课题组从事博士后研讨的顾少华对《中国迷信报》说明：“经由过程深刻懂得每个微生物领有的‘钥匙-锁’范例，咱们能够察看到一系列庞杂的社会行动。”在铁载体与受体的“钥匙”跟“锁”的特异性配对下，细菌开展了一场铁元素的“博弈”游戏。破译细菌的“社会互动收集”在微生物的铁元素“博弈”中，始终缺乏高正确率的盘算东西跟研讨方式。在南京农业年夜学LorMe试验室读博时期，顾少华重要着重于试验研讨。但是，在涉足铁元素相干研讨时，他留神到差别细菌之间存在较年夜差别，每一种细菌仿佛都须要独自停止试验跟测试。“假如用试验方式，测试大概100种细菌就须要耗时半年到一年。”顾少华说，“别的，细菌之间的集体差别也让试验方式难以获得正确的量化成果。”在研收回响应东西跟算法之前，已有的盘算模子只能简略断定生物生活所必须的一些低级代谢，对“铁元素博弈”这种更庞杂的次级代谢行动则能干为力。顾少华以为，工欲善其事，必先利其器。未几，顾少华离开李志远课题组停止博士后研讨，这里善于研讨生信剖析跟收集建模，于是他的研讨也从试验转向盘算偏向。尔后，北京年夜学、南京农业年夜学两个团队一同，开辟了生物信息学东西及响应的共退化算法，从基因组序列直接剖析微生物社会互动收集，构成了首个针对自然产品的“从序列到生态”研讨。“从序列到生态”也是铁载体研讨范畴的一条“近路”。与试验的逐个剖析差别，这种方式能够停止大批盘算跟猜测。顾少华经由过程剖析大批基因组中的共退化信息，就能揣摸出每个菌株制作跟接收的铁载体范例，进而重构全部铁彼此感化收集。“该任务应用了来自人类、泥土、动物跟水等栖身地的1928株非冗余假单胞菌的数据集。”顾少华说，“咱们将全部编码的铁载体分解酶与响应的受体基因组配对，发明细菌排泄的铁载体可能增进或克制群完工员的成长。经由过程发展验证明验，发明算法的正确率超越90%。”基于这毕生物信息学东西，顾少华进一步构建了群落层面的铁互作收集——差别栖身地跟生涯方法的细菌，其铁载体介导的互作形式也存在明显差别。详细来说，生涯在泥土、水、动物里的菌株跟非致病菌种之间构成了麋集的铁载体共享跟竞争收集，而来自人类的菌株跟致病菌种之间则只存在零碎的收集接洽。“从序列到生态”的方式实现了对数千种细菌菌株之间社会互动的剖析，也为针对性调控微生物群落开拓了新门路。绘制“铁网”，拓展利用范畴依据开端猜测结果，在微生物“铁博弈”的游戏中，只有约60%的微生物有铁载体分解基因簇，但超越90%的微生物都设备了至少一个铁载体受体基因。这标明在微生物天下中，铁元素的获取并非仅依附“自力更生”，还存在“竞争”“配合”“盗用”等多元游戏规矩。“比方，某些细菌固然本身能发生铁载体，但却领有很多受体，它就会‘盗用’其余细菌的铁载体，这种行动相似一种‘诈骗’。那些仅有一个受体的细菌则绝对‘诚实’，只应用本身发生的铁载体。恰是这种受体的多样性，催生了细菌之间风趣的互动关联，包含骗取、配合跟竞争等多种情势。”顾少华说明。铁载体的多样性、铁载体-受体间的特异性配对关联，以及广泛存在的“借用”景象，编织了一个盘根错节的铁元素互动的微生物收集。在这个收集中，铁载体既能增进细菌之间的配合，实现铁元素的共享，也可能被用作排斥竞争敌手的“兵器”。每个物种既可能是某种铁载体的“出产者”，也可能是其余铁载体的“盗用者”。“顺手牵羊的‘盗用’可能比‘出产’更罕见。”顾少华描写。基于开辟的生物信息学东西能够猜测微生物制作什么、借用什么铁载体，进而绘制出这张“铁网”。“铁网”中的互动关联能够懂得为细菌的进餐，铁载体是“食品”，受体是“餐具”。成员们可能带来了本人的“食品”跟对应的“餐具”，也可能带来了享受别人“食品”的“餐具”。一局部微生物既是奉献者，也是“顺手牵羊”者。这种相互“借用”的行动构成了一个稳固的配合收集。另有一局部“独来独往”的微生物，只带一副“餐具”，只吃本人带来的“食品”。这种“独来独往”的特点罕见于某些病原菌中。在微生物天下里，另有一局部“蹭饭专家”——它什么食品都不带，却带来一年夜堆餐具，专门应用他人的“投资”。这种纯洁的“诈骗者”战略也是一局部病原菌的特点。看似简略的“铁元素会餐会”提醒了微生物天下中庞杂的社会行动——自力、配合、诈骗。微生物对铁元素的争取刻画了细菌之间的“战斗与配合”，也为多个范畴的利用供给了新思绪。现在，顾少华重要从事土传病害的防控，假如应用切当，能够借助微生物互动关联进一步有针对性地调控微生物群落，从而增加病害的产生。顾少华告知《中国迷信报》，将来这项研讨无望拓展到更多范畴。“假如应用好这一研讨结果，不只能够在土传病害防控方面施展感化，还能够利用于重金属管理、动物养分身分接收等多方面，在医学范畴也能够利用于人类跟植物病原微生物防控。别的，铁元素缺少轻易招致血虚等成绩，这项研讨对懂得跟处理人类病原微生物侵染跟血虚等安康成绩也存在主要意思。”相干论文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.sdq5038
