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細菌可以游泳和群集，如果在營養豐富的培養皿中放任自流，某些物種會形成引人注目的圖案。在嘗試從皮膚和乳酪中分離細菌時，我偶然發現了一種形成圖案的物種，這是一種會使我的培養皿覆蓋著漣漪狀細胞的臭味群集菌株。這種名為奇異變形桿菌的物種如何形成這些波浪狀的“階地”尚未完全瞭解，細胞以某種方式在群集和停止之間迴圈，從它們開始的地方擴散開來尋找更多的營養物質。
早在2008年，香港大學iGEM團隊就想用大腸桿菌來重現這種模式，大腸桿菌是一種可以游泳但通常不會掀起波浪的細菌。透過研究工程系統中的這種複雜行為，學生們希望能夠更好地理解天然細菌如何形成圖案。他們想在大腸桿菌中建立一個基因網路，該網路將迴圈控制細菌的游泳行為，以響應培養皿上生長的細胞的密度。
控制趨化性的網路（即大腸桿菌如何遊向營養物質並遠離毒素）非常複雜，但僅基於兩種非常簡單的行為。大腸桿菌的鞭毛可以協調並捆綁在一起，使細菌直線游泳，或者可以全部散開使細胞“翻滾”。細菌無法控制它們游泳的方向，但它們可以改變翻滾和改變方向的頻率。在較高濃度的營養物質下，它們會直線游泳更長時間，一次最多幾秒鐘。當它們感覺到較少的營養物質時，它們會更頻繁地翻滾並隨機嘗試不同的方向。透過這種“有偏隨機遊走”（或游泳），它們可以相對快速地找到營養物質的來源。
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香港大學的學生利用了一個事實，即當您刪除參與大腸桿菌趨化性途徑的基因cheZ時（因此為che），細菌將不斷翻滾，根本無法向前移動。他們設計了一種合成基因途徑，當細胞密度很高時，該途徑會抑制cheZ。細菌可以透過檢測所有單個細胞分泌的化學物質的濃度來判斷其環境的擁擠程度。當濃度較低時，可能沒有很多細菌在周圍分泌該分子，但是當細胞密度很高時，該分子的濃度也很高。產生、感知和響應此訊號的基因都命名為 LuxSomething（LuxI、LuxR、LuxCDABE），因為這種機制最初是在生活在生物發光魷魚內部的細菌中發現的，產生光芒。當細菌在遠離其他細胞的海洋中漂浮時，它們產生髮光基因是沒有意義的。在魷魚的發光器官內部，細胞密度要高得多，這向細菌發出訊號，表明是時候開始發光了。
學生們將感知細胞密度的基因連線到抑制cheZ的基因。當細胞從培養皿的中心擴散並生長時，它們會達到啟用合成基因的密度，從而抑制cheZ並阻止細菌。前沿的細菌仍然處於足夠低的密度以繼續移動，直到它們也達到足夠高的密度並減速進入下一個波峰。
您可以在影片中觀看細胞的生長和在支援線上材料中形成的波浪，該影片是他們發表在《科學》雜誌上的論文的配套材料，該論文於上週發表。看到 iGEM 專案發表總是令人興奮的，更不用說看到群集的細菌和從簡單的基因網路的作用中湧現出的令人敬畏的生物行為了。