空間鄰近性決定微生物群落中的細菌競爭與擴張：隱藏促進者在抗生素脅迫下的關(guān)鍵作用

《Nature Communications》：Spatial proximity dictates bacterial competition and expansion in microbial communities

【字體： 大 中 小 】 時間：2025年12月05日 來源：Nature Communications 15.7

　　

在自然界和人體中，微生物往往以群落形式存在，通過復(fù)雜的相互作用共同生存。這些相互作用包括抑制和促進，它們共同塑造了群落的組成和功能。然而，大多數(shù)關(guān)于微生物相互作用的研究都是在均勻混合的液體環(huán)境中進行的，忽略了空間結(jié)構(gòu)這一關(guān)鍵環(huán)境背景。在真實的自然環(huán)境中，如生物膜、土壤或人體黏膜表面，微生物并非均勻分布，而是存在于高度結(jié)構(gòu)化的空間環(huán)境中。在這種環(huán)境中，細菌的移動能力和位置關(guān)系可能對其生存和競爭產(chǎn)生決定性影響。

抗生素的廣泛使用給微生物群落帶來了巨大的環(huán)境壓力。β-內(nèi)酰胺類抗生素是臨床上最常用的一類抗生素，許多細菌通過產(chǎn)生β-內(nèi)酰胺酶（Bla）來降解這類抗生素，從而獲得耐藥性。有趣的是，一些能夠產(chǎn)生Bla的細菌本身可能不具備運動能力，而一些具有運動能力的細菌可能對抗生素具有較高的耐受性但缺乏降解能力。這就引出了一個重要的科學(xué)問題：在空間結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中，當(dāng)面臨抗生素壓力時，這些具有不同特性的細菌如何相互作用？它們的空間關(guān)系如何影響整個群落的擴張和行為？

為了回答這些問題，杜克大學(xué)的研究團隊在《Nature Communications》上發(fā)表了一項創(chuàng)新性研究。他們發(fā)現(xiàn)，在抗生素處理的空間結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，一種不運動的細菌可以通過降解抗生素來促進另一種運動細菌的空間擴張，即使這種促進者最終會被競爭壓制到極少數(shù)比例，成為群落擴張的"隱藏啟動者"。這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了空間結(jié)構(gòu)在微生物相互作用中的關(guān)鍵作用，也對理解醫(yī)院環(huán)境中的細菌傳播和多微生物感染具有重要意義。

研究人員主要運用了空間擴張實驗、熒光標(biāo)記技術(shù)、數(shù)學(xué)建模和基因組學(xué)分析等方法。實驗系統(tǒng)包括臨床分離的肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）和銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）配對群落，以及從醫(yī)院水槽分離的八種細菌合成群落（SynkC）。通過測量菌落面積、生物量和相對豐度，并結(jié)合反應(yīng)-擴散模型，量化了空間擴張的動態(tài)過程。

Klebsiella enabled Pseudomonas range expansion under lactam treatment at its own expense

在頭孢噻肟（CTX）處理下，銅綠假單胞菌（Pseudomonas）的空間擴張受到顯著抑制，菌落面積減少28倍。然而，當(dāng)與肺炎克雷伯菌（Klebsiella）共培養(yǎng)時，Pseudomonas的擴張能力得到顯著恢復(fù)，共培養(yǎng)菌落的面積比Pseudomonas單獨培養(yǎng)時大7.4倍。這種恢復(fù)是以Klebsiella的生長為代價的——在共培養(yǎng)末期，Klebsiella的相對豐度降至極低水平（0.3%）。熒光標(biāo)記實驗顯示，Klebsiella主要局限于接種點，而擴張的菌落前沿主要由Pseudomonas組成。

0.05), without(top) or with CTX(2.5μg ml1,bottom).Curves and shades show average and standard deviation, respectively, from n=2 biological replicates, each with three technical replicates. b Pseudomonas domi-nated Klebsiella under the CTX treatment in well-mixed co-cultures. Liquid media were inoculated with a 1:1 mixture of the two species at OD600=-2.1x10-5,incubated for 27 h, and then plated to determine relative abundances(Supplementary Fig.4b).Symbols denote n=3 independent replicates(solid/open markers show technical replicates); diamond indicates data from fluorescently labeled strains. Bars and error bars represent mean and standard deviation, respectively, from n=2 after averaging technical replicates, c Pseudomonas range expansion was sup-pressed by CTX and rescued by Klebsiella. 20 ml of swarming agar(0.55%) media were center inoculated with 1μl of Klebsiella or Pseudomonas(OD600=-0.43).Colony images were captured at 24 h, processed, and analyzed for colony areas using a custom Python script(Methods; Supplementary Fig.3). Images shown were equally adjusted for brightness/contrast. Dish diameter:100 mm. See Supplemen-tary Fig.7 for raw images from n=3 biological replicates. d The rescue of the coculture range expansion occurred at the expense of Klebsiella's growth. In the same experiments as in(c), agar media were center inoculated with 1μl of 1:1 mixture of the two species(OD600=-0.43) and imaged after 24 h.Then, whole colonies were harvested with 5 ml of saline, and relative abundances were estimated by plating(Supplementary Fig.4b). Symbols indicate n=3 independent experi-ments, with solid/open markers showing technical replicates. Bars and error bars show mean and standard deviation of independent experiments after averaging technical replicates. Images shown were equally adjusted for brightness/contrast.'>

Theory reveals key determinants of the facilitation of spatial expansion

理論研究通過建立反應(yīng)-擴散模型，將Klebsiella種群視為抗生素的"匯"，培養(yǎng)基視為抗生素的"源"。模型預(yù)測Pseudomonas的有效空間擴張能力（M）與其到Klebsiella邊界距離（d）和初始抗生素濃度（a₀）相關(guān)，遵循方程M = 1/[1 + a₀^h(ln(d/R)/ln(S/R))^h]，其中R為清潔區(qū)半徑，S為域邊界。理論預(yù)測存在一個空間促進尺度L_K，當(dāng)d < L_K時，Pseudomonas的擴張能力被顯著激活。

Experiments corroborated the theoretical predictions

實驗通過改變Klebsiella和Pseudomonas接種距離，驗證了理論預(yù)測。當(dāng)兩菌距離小于約6.90 mm時，Pseudomonas的空間擴張能力被顯著激活，擴張面積隨距離增加而急劇下降，與理論預(yù)測的尖銳轉(zhuǎn)變特征一致。這種距離依賴性在改變Klebsiella接種密度時依然穩(wěn)健，證實了空間促進尺度L_K的存在。

The facilitation of spatial expansion occurred in a pairwise coculture of hospital sink co-isolates, Bacillus parametracis and Pseudomonas aeruginosa

從醫(yī)院水槽分離的類芽孢桿菌（Bacillus parametracis, Bp）和銅綠假單胞菌（Pa22）在卡芐青霉素（CB）處理下重現(xiàn)了類似的促進機制。只有Bp和Pa22的共培養(yǎng)才能在CB處理下發(fā)生空間擴張，且Bp在最終種群中無法檢測到（<0.1%），表明這種促進機制在不同菌種組合中具有普遍性。

1μlof Bp or Pa22 at OD600=?0.43with or without CB (10μgml?1).Dishes were imaged at 24h, processed, and analyzed for colony areas using a custom Python script(Methods). Images shown were equally adjusted for bright-ness/contrast. Dish diameter: 100 mm. Raw images from n=2 independent repli-cates are in Supplementary Fig.19.d The rescue of the coculture range expansion occurred at the expense of Bp's growth. In the same experiments as in(c), media were center inoculated with 1μl of 1:1 mixture of the two species at OD600=-0.43(circles) or-0.34(triangles).The dishes were imaged after 24 h(see Supplementary Fig.19 for raw images).Then,whole colonies were harvested with 5 ml of saline,and relative abundances were estimated by plating(Supplementary Fig.21b). Bars and error bars show mean and standard deviation of n=2 independent experiments(symbols) after averaging technical replicates(solid/open markers).Images shown were equally adjusted for brightness/contrast. Dish diameter:100 mm.'>

The facilitation of spatial expansion occurred in a synthetic community of sink isolates

在八種水槽分離菌組成的合成群落（SynkC）中，Bp的促進作用依然存在。只有在包含Bp時，群落才能在CB處理下發(fā)生空間擴張，且Bp在最終種群中無法檢測到。此外，Bp的存在還提高了群落多樣性，最終種群中除Pa22外還檢測到了腸桿菌（Enterobacter sp.）。

這項研究通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒炘O(shè)計和理論建模，揭示了空間結(jié)構(gòu)在微生物相互作用中的關(guān)鍵作用。研究表明，在抗生素壓力下，非運動細菌可以通過降解抗生素為運動細菌創(chuàng)造局部"安全區(qū)"，從而促進整個群落的空間擴張。然而，這種促進作用是以促進者自身被競爭壓制為代價的，使其成為群落擴張的"隱藏啟動者"。

這一機制對理解微生物生態(tài)學(xué)和臨床感染具有重要意義。在醫(yī)院環(huán)境中，這種隱藏的促進機制可能解釋了為什么某些耐藥菌雖然最終在檢測中含量極低，卻在感染傳播過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。研究結(jié)果強調(diào)，在分析微生物群落時，需要考慮空間結(jié)構(gòu)和低豐度物種的潛在作用，這對開發(fā)更有效的感染控制策略具有重要啟示。

該研究提出的空間促進機制可能普遍存在于各種微生物系統(tǒng)中。除了抗生素降解外，其他環(huán)境修飾方式（如pH改變、酶分泌、營養(yǎng)釋放等）也可能在空間結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中解鎖運動性、生物膜生長等性狀，這些潛在的促進機制有待未來研究進一步探索。總之，這項研究為我們理解微生物群落的復(fù)雜相互作用提供了新的視角，強調(diào)了空間背景在微生物生態(tài)學(xué)中的核心地位。