细菌趋化性中细胞反应与行为变异性的关系

大肠杆菌的细菌趋化性是研究信号转导的经典系统。该系统的一个显著特征是，群体中的精确适应与单细胞中大幅波动的细胞行为共存（Korobkova et al. 2004, Nature, 428, 574）。利用随机模型，我们发现实验中观察到的未受刺激细胞的大行为变异性是此适应性系统架构的直接结果。在可逆共价修饰循环中，甲基化和去甲基化反应拮抗地调节受体-激酶复合物的活性，其运作于一级动力学区域之外。结果是，控制细胞行为的受体-激酶表现出S型激活曲线。该曲线同时放大了系统固有的随机涨落，并延长了对刺激的响应弛豫时间。由于随机涨落引起大的行为变异性，而弛豫时间决定了对小刺激响应的游动平均持续时间，因此具有最大波动行为的细胞也表现出最大的趋化反应。最后，数字细菌的大规模模拟表明，趋化网络被调节为同时优化无营养条件下细胞的随机扩散和对吸引子梯度的细胞反应。