细菌通过多种趋化受体介导对环境中化学小分子的感知和响应，实现沿化学小分子梯度的定向运动，从而趋利避害的目的。而细菌的自然生存环境中往往存在多种化学引诱剂，不同向的分子梯度对细菌的吸引相互冲突。在多种化学引诱剂形成的复杂浓度梯度中，细菌个体将如何决定他们的趋化方向？细菌的群体趋化表现如何帮助其实现最优的营养摄取和环境适应性？

北京大学物理学院/北京大学定量生物学中心的罗春雄课题组在基于微流体细菌趋化芯片的实验研究中发现：在不同引诱剂小分子（MeAsp和Serine，分别被趋化受体Tar和Tsr介导趋化响应）构成的一系列不同强度的反向浓度梯度中，细菌群落随引诱物环境变化依次呈现出以下四种群体趋化分布行为：趋向MeAsp（S1），分群双向趋化（S2），趋向serine（S3）和无（明显）趋向（S4）（图1）。

图 1  细菌在和双梯度竞争环境中的四种群体行为（空间分布）。

这四类群体趋化分布，S2和S4有着接近的群体质心分布，但却体现了不同的群体稳定点。同时不同培养条件的细菌群落在同样的化学梯度下菌群密度分布的现象也不尽相同。通过初步模型分析，研究团队确认了两种趋化受体的相对表达比例是决定细菌个体趋化方向的关键因素，进一步结合受体表达在细菌群落中的异质性，研究团队构建了可用来描述复杂竞争梯度中细菌群体行为的“群体趋化模型”。基于这一模型，研究团队通过进一步的理论分析，得到了四种群体趋化行为在双梯度竞争浓度空间中的相图，并通过实验验证了该相图用来预测细菌群体行为的可靠性（图2）。

图 2 四种群体行为在浓度相空间的分布相图及实验验证

在这一理论框架下，研究团队发现细菌的群体行为和生长时期相关的原因主要在于细菌在不同生长过程中会调节其受体相对表达量，形成不同的种群受体分布差异，从而调节群体趋化表现，该定性预测也被进一步的实验所证实。

总结：该研究表明，虽然趋化分子通路独立于营养代谢等通路，但是通过趋化受体相对表达量的异质性，细菌得以表现出多样的群体层面的趋化行为，有利于获得最优的营养收益，提高其对多变环境的适应性。相关的定量实验和理论研究以“Phenotypic Variability Shapes Bacterial Responses to Opposing Gradients”为题于2024年1月9日在线发表于PRX life杂志上：https://journals.aps.org/prxlife/abstract/10.1103/PRXLife.2.013001。

文章第一作者为北大-清华生命科学联合中心博士研究生李路思,通讯作者为北京大学物理学院/定量生物学中心罗春雄教授及美国IBM沃森研究中心/定量生物学中心涂豫海教授，参与人包括欧阳颀院士，定量生物学中心毕业博士研究生张玄麒，物理学院博士研究生孙燕红。该工作得到国家自然科学基金委、国家重点研发计划、北京大学定量生物学中心、北大-清华生命科学联合中心、物理学院介观物理重点实验室的支持。