Nature communications：空间结构、趋化性和群感效应改变了复杂多孔介质中细菌生物量积累

复杂多孔介质中的空间结构、趋化性和群体感应形塑细菌生物量积累生物组织、沉积物或工程系统是具有曲折和多孔结构的空间结构介质，这些介质中流体流动。这样的复杂环境通过控制单个细菌细胞的运输、资源的可用性和用于通信的化学信号的分布，影响细菌的空间和时间定殖模式。然而，由于这些复杂系统的多尺度结构，很难评估不同的生物和非生物特性如何共同控制细菌生物量的积累。在本研究中，我们探讨了流动介导的相互作用如何允许肠道共栖大肠杆菌在由异质死端孔（DEPs）和连接的渗透通道，即传输孔（TPs）组成的多孔结构中定殖。我们发现，在存在流动的情况下，群体感应（QS）信号分子自诱导物-2（AI-2）的梯度促进了大肠杆菌在DEPs中的趋化性积累。在这种拥挤的环境中，生长和细胞碰撞的结合有利于悬浮细菌聚集体的发展。这导致资源消耗的热点，这些热点在资源限制时，触发了生物量从营养和氧气耗尽的DEPs中机械逃逸。我们的研究结果表明，微尺度介质结构和复杂流动与细菌的群体感应和趋化性共同控制了空间结构环境中细菌生物量的异质积累，例如肠道中的绒毛和隐窝或土壤和过滤器中的曲折孔。

主要发现：

趋化性和群体感应在细菌生物量积累中的作用：在微流控实验中，发现自诱导物-2（AI-2）的梯度能够促进大肠杆菌在死端孔（DEPs）中的趋化性积累。这种趋化性行为使得细菌在DEPs中聚集，形成悬浮的细菌聚集体。当营养和氧气耗尽时，群体感应触发了细菌生物量的机械逃逸。这表明AI-2的持续生产和感应在细菌生态位分离中起到重要作用，并促进了细菌在复杂环境中的稳定共存。

微观结构对细菌定殖的影响：研究表明，复杂的多孔介质结构通过流动和AI-2的梯度维持了细菌的趋化性和聚集行为。在DEPs中，由于流动和AI-2的生产，AI-2的梯度能够持续存在，从而促进细菌的长时间聚集和生物量的增加。DEPs中的细菌聚集体在资源耗尽时，生物量增长加速，并最终从DEPs中挤出，进入含有更高氧气和葡萄糖浓度的传输孔（TPs）。

实验验证：实验验证了在有流动的情况下，AI-2梯度促进了趋化性和细菌的定殖。使用野生型大肠杆菌（WT）和缺乏AI-2合成酶的ΔluxS突变株，观察到WT在DEPs中的生物量显著高于TPs，而ΔluxS突变株在两者中的分布相对均匀。在资源耗尽的情况下，通过使用荧光报告基因检测，发现AI-2驱动的群体感应在DEPs中启动并促进了细菌生物量的增加。

讨论总结：

文章探讨了复杂多孔介质中，空间结构和流体流动如何影响细菌的定殖和生物量积累。结果表明，死端孔（DEPs）中流体停滞区域促进了AI-2的积累，从而控制了局部群体感应（QS）的启动。

实验显示，在复杂结构中，自我分泌的AI-2梯度能够长期维持，驱动细菌向死端孔（DEPs）移动并聚集，形成细菌聚集体。这些聚集体的形成是通过细胞间的碰撞和细胞分裂介导的。在资源（如葡萄糖和氧气）耗尽时，细菌生物量在DEPs中机械逃逸。QS驱动的生物量增长使细胞向营养丰富的传输孔（TPs）移动。氧气和葡萄糖浓度较高的区域成为细菌的主要活动热点。研究发现，QS不仅促进了细菌在DEPs中的生物量增长，还通过调节细菌的基因表达来控制细胞聚集和生物膜形成。这一机制使细菌能够在不利的条件下生存和繁殖。通过使用不同的E. coli突变株，验证了AI-2在趋化性和QS中的关键作用。ΔluxS突变株（缺乏AI-2合成酶）在DEPs中的定殖显著减少，进一步证明了AI-2在细菌生态位分离中的重要性。

本文的研究结果表明，复杂多孔介质中的微观结构和流体流动与细菌的群体感应和趋化性共同作用，控制了细菌生物量的异质积累。这些发现对于理解肠道和其他复杂环境中细菌的行为和定殖具有重要意义。