空间邻近性决定微生物群落中的细菌竞争与扩张：隐藏促进者在抗生素胁迫下的关键作用

《Nature Communications》：Spatial proximity dictates bacterial competition and expansion in microbial communities

本研究揭示了在β-内酰胺抗生素胁迫下，非运动细菌（如肺炎克雷伯菌）通过降解抗生素为运动细菌（如铜绿假单胞菌）创造"安全区"，从而促进群落空间扩张的隐藏机制。该发现强调了空间结构对微生物互作的关键影响，对理解生物膜形成和多微生物感染具有重要启示。

　　

在自然界和人体中，微生物往往以群落形式存在，通过复杂的相互作用共同生存。这些相互作用包括抑制和促进，它们共同塑造了群落的组成和功能。然而，大多数关于微生物相互作用的研究都是在均匀混合的液体环境中进行的，忽略了空间结构这一关键环境背景。在真实的自然环境中，如生物膜、土壤或人体黏膜表面，微生物并非均匀分布，而是存在于高度结构化的空间环境中。在这种环境中，细菌的移动能力和位置关系可能对其生存和竞争产生决定性影响。

抗生素的广泛使用给微生物群落带来了巨大的环境压力。β-内酰胺类抗生素是临床上最常用的一类抗生素，许多细菌通过产生β-内酰胺酶（Bla）来降解这类抗生素，从而获得耐药性。有趣的是，一些能够产生Bla的细菌本身可能不具备运动能力，而一些具有运动能力的细菌可能对抗生素具有较高的耐受性但缺乏降解能力。这就引出了一个重要的科学问题：在空间结构化的环境中，当面临抗生素压力时，这些具有不同特性的细菌如何相互作用？它们的空间关系如何影响整个群落的扩张和行为？

为了回答这些问题，杜克大学的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项创新性研究。他们发现，在抗生素处理的空间结构化环境中，一种不运动的细菌可以通过降解抗生素来促进另一种运动细菌的空间扩张，即使这种促进者最终会被竞争压制到极少数比例，成为群落扩张的"隐藏启动者"。这一发现不仅揭示了空间结构在微生物相互作用中的关键作用，也对理解医院环境中的细菌传播和多微生物感染具有重要意义。

研究人员主要运用了空间扩张实验、荧光标记技术、数学建模和基因组学分析等方法。实验系统包括临床分离的肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）和铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）配对群落，以及从医院水槽分离的八种细菌合成群落（SynkC）。通过测量菌落面积、生物量和相对丰度，并结合反应-扩散模型，量化了空间扩张的动态过程。

Klebsiella enabled Pseudomonas range expansion under lactam treatment at its own expense

在头孢噻肟（CTX）处理下，铜绿假单胞菌（Pseudomonas）的空间扩张受到显著抑制，菌落面积减少28倍。然而，当与肺炎克雷伯菌（Klebsiella）共培养时，Pseudomonas的扩张能力得到显著恢复，共培养菌落的面积比Pseudomonas单独培养时大7.4倍。这种恢复是以Klebsiella的生长为代价的——在共培养末期，Klebsiella的相对丰度降至极低水平（0.3%）。荧光标记实验显示，Klebsiella主要局限于接种点，而扩张的菌落前沿主要由Pseudomonas组成。

0.05), without(top) or with CTX(2.5μg ml1,bottom).Curves and shades show average and standard deviation, respectively, from n=2 biological replicates, each with three technical replicates. b Pseudomonas domi-nated Klebsiella under the CTX treatment in well-mixed co-cultures. Liquid media were inoculated with a 1:1 mixture of the two species at OD600=-2.1x10-5,incubated for 27 h, and then plated to determine relative abundances(Supplementary Fig.4b).Symbols denote n=3 independent replicates(solid/open markers show technical replicates); diamond indicates data from fluorescently labeled strains. Bars and error bars represent mean and standard deviation, respectively, from n=2 after averaging technical replicates, c Pseudomonas range expansion was sup-pressed by CTX and rescued by Klebsiella. 20 ml of swarming agar(0.55%) media were center inoculated with 1μl of Klebsiella or Pseudomonas(OD600=-0.43).Colony images were captured at 24 h, processed, and analyzed for colony areas using a custom Python script(Methods; Supplementary Fig.3). Images shown were equally adjusted for brightness/contrast. Dish diameter:100 mm. See Supplemen-tary Fig.7 for raw images from n=3 biological replicates. d The rescue of the coculture range expansion occurred at the expense of Klebsiella's growth. In the same experiments as in(c), agar media were center inoculated with 1μl of 1:1 mixture of the two species(OD600=-0.43) and imaged after 24 h.Then, whole colonies were harvested with 5 ml of saline, and relative abundances were estimated by plating(Supplementary Fig.4b). Symbols indicate n=3 independent experi-ments, with solid/open markers showing technical replicates. Bars and error bars show mean and standard deviation of independent experiments after averaging technical replicates. Images shown were equally adjusted for brightness/contrast.'>

Theory reveals key determinants of the facilitation of spatial expansion

理论研究通过建立反应-扩散模型，将Klebsiella种群视为抗生素的"汇"，培养基视为抗生素的"源"。模型预测Pseudomonas的有效空间扩张能力（M）与其到Klebsiella边界距离（d）和初始抗生素浓度（a₀）相关，遵循方程M = 1/[1 + a₀^h(ln(d/R)/ln(S/R))^h]，其中R为清洁区半径，S为域边界。理论预测存在一个空间促进尺度L_K，当d < L_K时，Pseudomonas的扩张能力被显著激活。

Experiments corroborated the theoretical predictions

实验通过改变Klebsiella和Pseudomonas接种距离，验证了理论预测。当两菌距离小于约6.90 mm时，Pseudomonas的空间扩张能力被显著激活，扩张面积随距离增加而急剧下降，与理论预测的尖锐转变特征一致。这种距离依赖性在改变Klebsiella接种密度时依然稳健，证实了空间促进尺度L_K的存在。

The facilitation of spatial expansion occurred in a pairwise coculture of hospital sink co-isolates, Bacillus parametracis and Pseudomonas aeruginosa

从医院水槽分离的类芽孢杆菌（Bacillus parametracis, Bp）和铜绿假单胞菌（Pa22）在卡苄青霉素（CB）处理下重现了类似的促进机制。只有Bp和Pa22的共培养才能在CB处理下发生空间扩张，且Bp在最终种群中无法检测到（<0.1%），表明这种促进机制在不同菌种组合中具有普遍性。

1μlof Bp or Pa22 at OD600=?0.43with or without CB (10μgml?1).Dishes were imaged at 24h, processed, and analyzed for colony areas using a custom Python script(Methods). Images shown were equally adjusted for bright-ness/contrast. Dish diameter: 100 mm. Raw images from n=2 independent repli-cates are in Supplementary Fig.19.d The rescue of the coculture range expansion occurred at the expense of Bp's growth. In the same experiments as in(c), media were center inoculated with 1μl of 1:1 mixture of the two species at OD600=-0.43(circles) or-0.34(triangles).The dishes were imaged after 24 h(see Supplementary Fig.19 for raw images).Then,whole colonies were harvested with 5 ml of saline,and relative abundances were estimated by plating(Supplementary Fig.21b). Bars and error bars show mean and standard deviation of n=2 independent experiments(symbols) after averaging technical replicates(solid/open markers).Images shown were equally adjusted for brightness/contrast. Dish diameter:100 mm.'>

The facilitation of spatial expansion occurred in a synthetic community of sink isolates

在八种水槽分离菌组成的合成群落（SynkC）中，Bp的促进作用依然存在。只有在包含Bp时，群落才能在CB处理下发生空间扩张，且Bp在最终种群中无法检测到。此外，Bp的存在还提高了群落多样性，最终种群中除Pa22外还检测到了肠杆菌（Enterobacter sp.）。

这项研究通过严谨的实验设计和理论建模，揭示了空间结构在微生物相互作用中的关键作用。研究表明，在抗生素压力下，非运动细菌可以通过降解抗生素为运动细菌创造局部"安全区"，从而促进整个群落的空间扩张。然而，这种促进作用是以促进者自身被竞争压制为代价的，使其成为群落扩张的"隐藏启动者"。

这一机制对理解微生物生态学和临床感染具有重要意义。在医院环境中，这种隐藏的促进机制可能解释了为什么某些耐药菌虽然最终在检测中含量极低，却在感染传播过程中发挥了关键作用。研究结果强调，在分析微生物群落时，需要考虑空间结构和低丰度物种的潜在作用，这对开发更有效的感染控制策略具有重要启示。

该研究提出的空间促进机制可能普遍存在于各种微生物系统中。除了抗生素降解外，其他环境修饰方式（如pH改变、酶分泌、营养释放等）也可能在空间结构化的环境中解锁运动性、生物膜生长等性状，这些潜在的促进机制有待未来研究进一步探索。总之，这项研究为我们理解微生物群落的复杂相互作用提供了新的视角，强调了空间背景在微生物生态学中的核心地位。