细菌中的三国演义，并非强者生存

细菌无处不在，不仅在浴室或厨房柜台上，而且在人类体内，包括适宜微生物群生长的肿瘤中。这些“小生态”甚至是调控癌症药物疗法的关键，而更多地了解它们可以帮助开发新的挽救生命的疗法。

当同一系统中存在不同菌株的细菌时会发生什么？它们共存吗？会是最强者生存吗？

近日，加州大学圣地亚哥分校的研究人员在 Nature Communications 杂志发表了题为：Survival of the weakest in non-transitive asymmetric interactions among strains of E. coli 的研究论文，研究团队对上述问题进行了研究，

他们设计了三株大肠杆菌（E. coli），以使每种菌株都产生一种毒素，该毒素可以杀死另一株，就像剪刀-石头-布一样。，通过（1）抑制蛋白质产生；（2）消化基因组DNA；（3）破坏细胞膜，它们相互制约，循环相互作用。

研究人员将这三个种群混合在一起，让它们在一个培养皿上生长数周。当他们再次检查时，他们注意到在多个实验中，相同的种群将占据整个表面，而且不是最强的（毒素最有效的菌株）。他们对产生这种结果的可能原因感到好奇，设计了一个实验来揭示游戏中隐藏的动态。

有两个假设：要么最强的细菌种群将获胜，要么最弱的细菌种群将获胜。他们的实验表明，令人惊讶的是，第二个假设是正确的：最弱的细菌种群总是最终占据整个培养皿。

回到剪刀-石头-布的比喻，如果他们假设大肠杆菌的“石头”菌株具有最强的毒素，它将迅速杀死“剪刀”菌株。由于“剪刀”菌株是唯一能够杀死“布”菌株的菌株，所以“布”菌株现在没有敌手了。在一段时间内可以自由地慢慢吃掉“石头”菌株，而“石头”菌株无法防御自己。

为了弄清楚这种现象背后的机理，研究人员还开发了一个数学模型，该数学模型可以通过从各种各样的模式和密度开始模拟三个菌群之间的战斗。该模型能够显示细菌在具有常见空间模式（如条纹，孤立的簇和同心圆）的多种情况下的行为。只有当菌株最初以同心环的形式分布且中间最强时，最强的菌株才有可能接管板。

据估计，微生物在人体中的数量超过了人类细胞的10：1，并且几种疾病已归因于各种微生物群落内的失衡。肠道微生物组内的失衡与几种代谢和炎性疾病，癌症甚至抑郁症有关。研究团队正在进行的研究可能有助于为一天改造健康的合成微生物组奠定基础，该微生物组可用于递送活性化合物以治疗各种代谢性疾病或疾病和肿瘤。

细菌群落占据了无数不同的生态位环境，在从营养循环到调节人类健康的过程中发挥着重要作用。虽然构建强大细菌群落的能力可能会在回收、可持续发展和医疗保健等领域带来重大进步，但物种多样性和稳定性的潜在机制仍未得到很好的理解。

研究证明了使用工程合成生态来简化复杂的群落关系的可行性，以便研究可能导致群落稳定和保持多样性的潜在机制。由于巨大的物种多样性和生物在自然中采用的广泛竞争策略，他们假设自然竞争动态可能是不平衡的。与三个物种以相等的速度相互残杀的完美平衡的石头-剪刀-布游戏不同，他们专注于描述一个不对称的系统，其中每个捕食者-猎物对之间的相对竞争优势是不同的。

在这里，他们证明当相对竞争优势不平衡时，不可传递性在很长一段时间内不能促进生物多样性。因此，他们认为不对称非传递生态学是研究竞争细菌物种间复杂相互作用的有用基础模型。利用他们的三菌株生态学，他们实验性地证明了最弱的物种最有可能赢得均匀分布的石头-布-剪刀游戏。

有趣的是，他们表明不对称生态可以发展稳态共存，三个物种之间的相对毒素强度决定了共存空间的范围。与直觉相反，在相同的均匀分布初始条件下，他们的模型预测最强毒素的生产者永远不会赢。与两两竞争相反，在两两竞争中，最强毒素的生产者具有竞争优势，而在非传递群体中，最强毒素的生产者处于进化劣势。这可能是一种重要的选择性力量，对抗微生物中日益致命的战争化学物质的不断进化，导致化学物质的多样性增加，这些化学物质被限制在特定的毒素强度参数空间内。毒素介导的竞争在群落稳定性中发挥的作用也可以解释细菌群落中观察到的膜靶向DNA或核糖体靶向细菌毒素的相对丰度。

最后，他们还观察到系统的稳态结果可以通过改变初始菌株分布模式来改变。总的来说，这项研究提供了一个数学模型和工程框架来研究竞争的相互作用，并最终用作设计稳定社区的指南，或获得预测社区稳定性的能力。

原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-19963-8