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
细菌可以游泳和群集，如果在营养丰富的培养皿中放任自流，某些物种会形成引人注目的图案。在尝试从皮肤和奶酪中分离细菌时，我偶然发现了一种形成图案的物种，这是一种会使我的培养皿覆盖着涟漪状细胞的臭味群集菌株。这种名为奇异变形杆菌的物种如何形成这些波浪状的“阶地”尚未完全了解，细胞以某种方式在群集和停止之间循环，从它们开始的地方扩散开来寻找更多的营养物质。
早在2008年，香港大学iGEM团队就想用大肠杆菌来重现这种模式，大肠杆菌是一种可以游泳但通常不会掀起波浪的细菌。通过研究工程系统中的这种复杂行为，学生们希望能够更好地理解天然细菌如何形成图案。他们想在大肠杆菌中建立一个基因网络，该网络将循环控制细菌的游泳行为，以响应培养皿上生长的细胞的密度。
控制趋化性的网络（即大肠杆菌如何游向营养物质并远离毒素）非常复杂，但仅基于两种非常简单的行为。大肠杆菌的鞭毛可以协调并捆绑在一起，使细菌直线游泳，或者可以全部散开使细胞“翻滚”。细菌无法控制它们游泳的方向，但它们可以改变翻滚和改变方向的频率。在较高浓度的营养物质下，它们会直线游泳更长时间，一次最多几秒钟。当它们感觉到较少的营养物质时，它们会更频繁地翻滚并随机尝试不同的方向。通过这种“有偏随机游走”（或游泳），它们可以相对快速地找到营养物质的来源。
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香港大学的学生利用了一个事实，即当您删除参与大肠杆菌趋化性途径的基因cheZ时（因此为che），细菌将不断翻滚，根本无法向前移动。他们设计了一种合成基因途径，当细胞密度很高时，该途径会抑制cheZ。细菌可以通过检测所有单个细胞分泌的化学物质的浓度来判断其环境的拥挤程度。当浓度较低时，可能没有很多细菌在周围分泌该分子，但是当细胞密度很高时，该分子的浓度也很高。产生、感知和响应此信号的基因都命名为 LuxSomething（LuxI、LuxR、LuxCDABE），因为这种机制最初是在生活在生物发光鱿鱼内部的细菌中发现的，产生光芒。当细菌在远离其他细胞的海洋中漂浮时，它们产生发光基因是没有意义的。在鱿鱼的发光器官内部，细胞密度要高得多，这向细菌发出信号，表明是时候开始发光了。
学生们将感知细胞密度的基因连接到抑制cheZ的基因。当细胞从培养皿的中心扩散并生长时，它们会达到激活合成基因的密度，从而抑制cheZ并阻止细菌。前沿的细菌仍然处于足够低的密度以继续移动，直到它们也达到足够高的密度并减速进入下一个波峰。
您可以在视频中观看细胞的生长和在支持在线材料中形成的波浪，该视频是他们发表在《科学》杂志上的论文的配套材料，该论文于上周发表。看到 iGEM 项目发表总是令人兴奋的，更不用说看到群集的细菌和从简单的基因网络的作用中涌现出的令人敬畏的生物行为了。