生物膜在生活世界中很普遍，存在于下水道、厨房柜台甚至我们的牙齿表面。之前的一项研究表明，这些生物膜采用复杂的系统来相互沟通，而另一项研究则证明生物膜具有强大的记忆能力。
Süel的实验室，以及斯坦福大学和西班牙庞培法布拉大学的研究人员，现在发现了生物膜的一个特征，揭示了这些群落远比以前认为的要先进。生物科学研究生周光涛(Kwang-Tao Chou)，前生物科学研究生黛西·李(Daisy Lee, Süel)和他们的同事发现，生物膜细胞以复杂的模式组织，这种特征以前只与植物和动物等高级生物有关。这项研究是8年研究的成果，发表在1月6日的《细胞》杂志上。
“我们看到的生物膜比我们想象的要复杂得多，”Süel说，他是加州大学圣地亚哥分校生物科学部分子生物学教授，隶属于圣地亚哥系统生物学中心、生物电路研究所和微生物创新中心。“从生物学的角度来看，我们的研究结果表明，发育过程中细胞模式的概念比以前认为的要古老得多。显然，细胞在空间和时间上分割自己的能力不仅出现在植物和脊椎动物身上，而且可能要追溯到10亿年前。”
生物膜群落是由不同类型的细胞组成的。科学家们以前并不认为这些完全不同的细胞可以被组织成有规则的复杂模式。在这项新的研究中，科学家们开发了实验和数学模型，揭示了“时钟和波前”机制的遗传基础，这种机制以前只在从植物、果蝇到人类等高度进化的生物体中出现。随着生物膜的扩张和营养物质的消耗，一种营养物质消耗的“波”在细菌群落的细胞间移动，并在特定的时间和位置冻结每个细胞内的分子钟，创造出一个复杂的不同细胞类型重复片段的复合模式。
研究人员的突破是能够识别生物膜产生基因表达模式的社区范围内的生物膜同心圆的能力的遗传电路。然后，研究人员能够建立预测模型，表明生物膜本身可以产生许多片段。
作者在《细胞》杂志的论文中指出:“我们的发现表明，细菌生物膜采用一种迄今为止被认为是脊椎动物和植物系统独有的发育模式机制。”
这项研究的发现为许多研究领域提供了启示。由于生物膜在我们的生活中无处不在，它们的应用范围从医药到食品工业，甚至是军事。生物膜作为一个系统，能够测试简单的细胞系统如何将自己组织成复杂的模式，这可能在发育生物学中有用，例如，研究在脊椎动物中发挥作用的时钟和波形机制的具体方面。
“我们可以看到细菌群落不仅仅是一团一团的细胞，”Süel说，他认为研究合作可以为研究细菌的发育模式提供新的范例。“有了细菌系统，我们可以提供一些在脊椎动物和植物系统中难以获得的答案，因为细菌提供了更容易在实验中获得的系统，可以为开发领域提供新的见解。”
论文的共同作者包括:周光涛(加州大学圣地亚哥分校研究生)、李东妍(前加州大学圣地亚哥分校研究生，现为斯坦福大学博士后学者)、Chiou Jian-geng(加州大学圣地亚哥分校博士后学者)、Leticia Galera-Laporta(加州大学圣地亚哥分校博士后学者)、San Ly(前加州大学圣地亚哥分校研究员)、Jordi Garcia-Ojalvo(庞培法布拉大学教授)和Gürol Süel(加州大学圣地亚哥分校教授)。
Journal Reference:
Kwang-Tao Chou, Dong-yeon D. Lee, Jian-geng Chiou, Leticia Galera-Laporta, San Ly, Jordi Garcia-Ojalvo, Gürol M. Süel. A segmentation clock patterns cellular differentiation in a bacterial biofilm. Cell, 2022; 185 (1): 145 DOI: 10.1016/j.cell.2021.12.001