表型多样性的细菌在群集迁移运动中协调机制的研究

Collective behavior and individual phenotypic diversity are ubiquitous in biological systems. Individual heterogeneity is contradictory to the highly unified collective behavior. The bacterial population with phenotypic diversity can migrate in collective groups of unified velocity while keeping their diversity in chemotactic ability. How does bacteria coordinate cells of different chemotactic abilities to realize collective migration with uniformed migration velocity? Our preliminary experiments showed that cells of different chemotacitc abilities locate in different positions in the collective migration group, so that they receive different levels of chemotactic signal. The ability together with the recived signal determine the single cell behavior of a cell. Based on these observations, we propose that bacteria coordinate the single cell behaviors of cells of different chemotacitc ability by different chemtactic signal (most likely the frequencies and amplitudes of the 'forward-backward' behavior) to achieve collective movement of uniform velocity. To test these hypothesis, we plan to use microfluidics, single-cell tracking tectonics, gene regulation method, agent-based simulation and multi-scale mathematical models to investigate the spatial allocations of various phenotype and characterize the swimming behavior of individual cells to understand the its coordination mechanism during collective migration. This project deepens our understanding of the bacterial collective migration and reveals the effect of phenotypic heterogeneity.

群集行为与个体表型多样性是生物系统在广泛存在的特性。前者要求的高度统一性与后者导致的个体能力差异性之间存在矛盾。表型多样性的细菌能够协调不同运动能力个体实现群集趋化迁移运动，而这一生物现象背后的具体协调机制尚不清楚。申请人在前期实验中发现运动能力存在差异性的细菌个体在迁移群体中的位置不同，进而使得其感受到的外界信号存在差异性。这两个差异性导致了个体行为特征(“前进-后退”行为的频率与幅度)的差异化。由此我们提出猜想：细菌通过外界信号差异补偿个体能力差异，协调个体的运动行为，实现统一平均迁移速率。为此，本项目拟利用微流控、单细胞追踪、基因改造、仿真模拟及多尺度模型等方法定量研究不同运动能力细菌的空间分布及个体行为特征，解释具有表型多样性的细菌在群集运动中的协调机制。本课题的实施将加深对细菌群集迁移运动的认识，揭示表型多样性在该过程中的作用。

自然界中的群居生物为了找到更丰富食物与更适宜的环境，往往需要进行群体迁移。但是不同的个体总会在行动能力、导航能力等方面存在差异，因此一种稳健的速度协调机制对于一个群体而言至关重要。本团队在前期研究发现随机游走的细菌个体可以通过形成有序空间结构保证差异化个体的群体迁移，然而其协调机制尚不明确。.为此，本项目通过合成生物学技术对大肠杆菌进行了行为调控与荧光标记，利用微流控技术发展了细菌群体迁移的实验平台，对不同表型的群体空间分布与个体运动行为进行了定量测量。同时，本研究还发展了一套包含细菌趋化运动信号通路的agent-based模型，对表型多样性细菌的群体迁移进行了数值模拟，并将该过程简化为一定力场下粒子的受限随机游走的Ornstein-Uhlenbeck过程，对其进行了模拟与解析。.研究发现细菌在迁移群体内通过对趋化物的消耗形成了前低后高的趋化物浓度梯度，该梯度牵引细菌在群体内实现“追逐-落后”的往复运动。不同趋化运动能力的个体围绕不同的中心做往复运动，该中心呈现空间单调分布，使得菌群形成宏观有序的空间分布。在个体层面，细菌运动可以被看作在回归力场下的随机运动。该力场呈现前低后高的“推波”结构，使得趋化运动能力有差异的细菌个体保持均一的总体迁移速率，进而保证了群体迁移的统一性。该研究加深了我们对于稳定有序结构的形成与群体迁移运动的理解。