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简单公式预测质粒在菌群中的生存潜力

1945年,苏格兰生物学家亚历山大•弗莱明因其对发现青霉素作出的巨大贡献,被授予诺贝尔生理学或医学奖。在第二次世界大战中,青霉素被广泛使用,挽救了无数士兵和平民的生命。然而,在他的获奖演说中,弗莱明不无忧虑地说道:“我想提出一个警告……在实验室里,只要青霉素的计量不足以杀死微生物,让这些微生物具备对青霉素的抗药性并不困难。而相同的事情也会在人体内发生。” 弗莱明的担忧并不是杞人忧天。1947年,第一个抗青霉素的病例被报道。在20世纪50年代这个被誉为“抗生素的黄金年代”里,越来越多具有多重抗药性的细菌被观察到。1960年,一些日本科学家发现,抗药性可以在不同细菌之间传播。传播的载体就是我们后来熟知的质粒。质粒是一些独立于染色体之外的DNA环,它们可以在细菌之间水平转移,进而将其所携带的性状在细菌群体内进行扩散。于是,一个重要的科学问题开始受到关注:质粒在群体内稳定存在的条件是什么。


时至今日,随着我们对于质粒和菌群生态了解的加深,这一问题变得愈发重要。今天我们知道,质粒不仅携带抗药性基因,还可以编码许多致病因子和代谢性状。质粒在菌群中的命运不仅影响菌群对于环境的适应能力,有时还会决定一个菌群的存亡。质粒与染色体之间的相互作用也塑造了群体的演化轨迹。此外,在菌群工程领域,质粒作为一件强有力的工具,常被用来改造菌群功能。无论从理论还是实践上,探索质粒在菌群内稳定存在的条件都有十分重要的意义。


一个质粒在菌群里的命运取决于许多因素,例如质粒的扩散速率、质粒对宿主的代谢负担、以及群体生长速度等等。1973年,弗兰克•斯图尔特(Frank Stewart)和布鲁斯•莱文(Frank Stewart)利用数学模型最早对这些因素进行了系统的考察。他们以单一质粒在单一物种中的传播为对象,推导出质粒要想稳定存在,其传播速率必须大于某一阈值。这一模型成为此领域奠基性的工作,并被在后续的研究中被广泛沿用。然而,这一经典模型的结论只适用于单一质粒在单一物种中的传播。在自然环境中,细菌无一不生活在复杂群体里。每一个群体包含成百上千个不同物种,有数百种不同质粒在同时传播。如何预测质粒在复杂群体内的命运依然是一个挑战。

图1:单一物种三质粒系统的质粒传播示意图。三种质粒分别以红色、蓝色和青色圆圈表示。箭头代表质粒的传播方向。


经典模型的计算复杂度随质粒的个数指数型上升,因而并不适用于复杂群体。例如,如果我们要用经典模型来描述三个质粒在单一物种里的扩散,每一个方程包含的项数之多,将使得我们不得不另外写一段程序来产生这些方程。而如果要描述一瓶包含160个微生物物种和180质粒的海水,经典模型的复杂度已经超过了人类目前计算力的总和。


在这篇文章中,杜克大学Lingchong You课题组建立了一个新的数学框架,来计算复杂群体里的质粒动力学。在经典模型中,每一个物种根据所含质粒的不同被划分成许多的“亚群”,而在新的模型中,作者将这些“亚群”重新组合成不同的“平均群”,每一个“平均群”对应一种质粒。这样,他们将模型复杂度从“指数增长”降为“线性增长”,从而让复杂菌群内质粒动力学的分析和计算成为可能。经过验算,他们发现,只要质粒不对宿主造成极大的负担,这种简化都不会造成显著误差。

图2:为描述单一物种三质粒系统的动力学,经典模型(上)和新模型(下)所需的方程对比。


基于这种全新的数学框架,作者推导出了在复杂菌群里质粒不被淘汰的条件,将其命名为“生存潜力”。质粒的“生存潜力”取决于五类关键因素:质粒的迁移速率、质粒的代谢负担、质粒的损失速率、群体的生长速度和群体的稀释率。模拟计算的结果表明:当且仅当“生存潜力”大于一时,质粒能在菌群里稳定存在,而“生存潜力”的数值则决定了质粒的丰度;当“生存潜力”小于一时,质粒最终将被淘汰。


作者利用人造菌群对“生存潜力”给出的预言进行了验证。每一个人造菌群包含了不同的大肠杆菌菌株。质粒被引入这些菌群进行扩散。经过两个星期,质粒的丰度与他们根据“生存潜力”作出的预言基本吻合。此外,作者提取了13篇已发布文献中的数据,发现这些数据也与他们的预言相符。这些结果证明“生存潜力”决定了质粒在复杂菌群中的命运。


作者建立的方法能帮助科学家进一步理解和改造菌群。例如,人类的肠道栖居着数量庞大的微生物群体,他们的结果揭示出,通过调节一些关键因素,例如饮食和摄水量,可以改变肠道菌群的可移动基因库。这为逆转肠道细菌抗药性提供了新的思路。在菌群工程中,质粒的引入可以修饰菌群的功能。分析质粒的“生存潜力”将为菌群工程提供有用的指导。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

The persistence potential of transferable plasmids

Teng Wang, Lingchong You

Nat. Commun., 2020, 11, 5589, DOI: 10.1038/s41467-020-19368-7


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