本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
細菌可能是單細胞生物，但它們極少以單細胞形式單獨存在。相反，細菌形成由許多細胞組成的菌落，所有細胞共同生長和分裂。這些菌落通常在形狀和形態上是有序的，並且已經建立了各種物理系統來模擬這種自組織；例如，彼此靠近的小型振動棒可以自組織成圖案。然而，這些系統常常忽略了細菌菌落髮育的兩個最關鍵因素：所有細胞都在持續生長和分裂。
劍橋大學的一組研究人員使用合成生物學技術來觀察在大腸桿菌生長菌落中看到的圖案。為了觀察細胞組織的圖案，將紅色、綠色或藍色熒光蛋白的基因引入細菌中，然後讓細菌在平面上生長和發育。
細菌在生長和發育過程中形成圖案的原因有很多。這可能是由於細菌之間移動的訊號分子、將它們粘合在一起的粘附力，或分裂形狀相互推擠的物理特性造成的。研究人員使用了一個名為 CellModeller 的計算建模系統，以檢視他們是否可以建立一個由分裂的桿狀形狀組成的系統，該系統可以產生在物理菌落中看到的圖案。
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該模型建立在一系列假設的基礎上。首先，它僅包含剛性的伸長膠囊，形狀與分裂的大腸桿菌相同。這些膠囊會生長到一定長度，然後一分為二。每個膠囊不會在自身推進力下移動，而僅在受到外力時才會移動。最後，他們透過細胞相互擠壓和生長引起的粘滯阻力限制了生長。然後將 CellModeller 模型與自然生長的大腸桿菌進行比較，如下所示（右圖顯示了細菌和模型的分形維度測量值）
正如計算模型所示，這些圖案並不依賴於細菌的遺傳或細胞特徵，而是依賴於生長棒與其周圍物理環境之間的物理相互作用。棒相互擠壓的力量以及在生長過程中爭奪空間的力量，創造了觀察到的圖案。
為了進一步探索這一點，研究人員使用了他們的大腸桿菌菌株的突變體，該突變體是圓形的，而不是桿狀的（菌株 KJB24）。這些細胞以與桿狀細胞相同的方式生長和分裂，但不形成相同的漂亮尖刺圖案。相反，觀察到平滑的域邊界，以及大的令人失望的塊狀形狀，而不是色彩鮮豔的峰和谷。
該模型使用物理相互作用來建立在單層大腸桿菌細胞中看到的生長圖案。儘管系統看似簡單，但仍然可以看到湧現的分形圖案正在形成。開發更復雜的模型以包括在更復雜的細菌菌落（例如表現出群集、游泳或生物膜行為的菌落）中看到的遺傳和細胞因素，可以為研究細菌菌落的發育和生長提供有用的方法。
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參考文獻：Cell Polarity-Driven Instability Generates Self-Organized, Fractal Patterning of Cell Layers, Timothy J. Rudge, Fernán Federici, Paul J. Steiner, Anton Kan, and Jim Haseloff, ACS Synthetic Biology 2013印刷中DOI: 10.1021/sb400030p
編輯：這項研究也在 Oscillator 上進行了報道！ https://blogs.scientificamerican.com/oscillator/2013/06/09/fractal-bacteria/