本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
细菌可能是单细胞生物，但它们极少以单细胞形式单独存在。相反，细菌形成由许多细胞组成的菌落，所有细胞共同生长和分裂。这些菌落通常在形状和形态上是有序的，并且已经创建了各种物理系统来模拟这种自组织；例如，彼此靠近的小型振动棒可以自组织成图案。然而，这些系统常常忽略了细菌菌落发育的两个最关键因素：所有细胞都在持续生长和分裂。
剑桥大学的一组研究人员使用合成生物学技术来观察在大肠杆菌生长菌落中看到的图案。为了观察细胞组织的图案，将红色、绿色或蓝色荧光蛋白的基因引入细菌中，然后让细菌在平面上生长和发育。
细菌在生长和发育过程中形成图案的原因有很多。这可能是由于细菌之间移动的信号分子、将它们粘合在一起的粘附力，或分裂形状相互推挤的物理特性造成的。研究人员使用了一个名为 CellModeller 的计算建模系统，以查看他们是否可以创建一个由分裂的杆状形状组成的系统，该系统可以产生在物理菌落中看到的图案。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您将帮助确保关于塑造我们今天世界的发现和想法的有影响力的故事的未来。
该模型建立在一系列假设的基础上。首先，它仅包含刚性的伸长胶囊，形状与分裂的大肠杆菌相同。这些胶囊会生长到一定长度，然后一分为二。每个胶囊不会在自身推进力下移动，而仅在受到外力时才会移动。最后，他们通过细胞相互挤压和生长引起的粘滞阻力限制了生长。然后将 CellModeller 模型与自然生长的大肠杆菌进行比较，如下所示（右图显示了细菌和模型的分形维度测量值）
正如计算模型所示，这些图案并不依赖于细菌的遗传或细胞特征，而是依赖于生长棒与其周围物理环境之间的物理相互作用。棒相互挤压的力量以及在生长过程中争夺空间的力量，创造了观察到的图案。
为了进一步探索这一点，研究人员使用了他们的大肠杆菌菌株的突变体，该突变体是圆形的，而不是杆状的（菌株 KJB24）。这些细胞以与杆状细胞相同的方式生长和分裂，但不形成相同的漂亮尖刺图案。相反，观察到平滑的域边界，以及大的令人失望的块状形状，而不是色彩鲜艳的峰和谷。
该模型使用物理相互作用来创建在单层大肠杆菌细胞中看到的生长图案。尽管系统看似简单，但仍然可以看到涌现的分形图案正在形成。开发更复杂的模型以包括在更复杂的细菌菌落（例如表现出群集、游泳或生物膜行为的菌落）中看到的遗传和细胞因素，可以为研究细菌菌落的发育和生长提供有用的方法。
---
参考文献：Cell Polarity-Driven Instability Generates Self-Organized, Fractal Patterning of Cell Layers, Timothy J. Rudge, Fernán Federici, Paul J. Steiner, Anton Kan, and Jim Haseloff, ACS Synthetic Biology 2013印刷中DOI: 10.1021/sb400030p
编辑：这项研究也在 Oscillator 上进行了报道！ https://blogs.scientificamerican.com/oscillator/2013/06/09/fractal-bacteria/