合成微生物超循环及其寄生者的空间动力学

早期理论工作揭示，已知为超循环（hypercycles）的最简单一类自催化循环，为理解互利共生演化提供了优雅的框架。此外，超循环极易受寄生者侵害，空间结构构成了抵御它们的关键保护。然而，这些理论预测缺乏充分的实验验证，且关于环境条件如何塑造超循环空间动力学的认识甚少。在此，我们利用合成生物学构建了空间扩展的超循环，以此设计互利和寄生性的{\em E. coli}菌株。我们建立了超循环前沿扩张的数学模型，给出了前沿传播速度的解析估计。此外，我们探索了环境如何在范围扩张期间影响互利联合体。有趣的是，环境条件的适度改善（即增加生长限制性氨基酸的可用性）可导致前沿速度的减慢。我们的基于智能体的模拟表明，对环境氨基酸的机会性耗竭可导致前沿停滞细胞比例升高，从而致使前沿速度减慢。此外，环境恶化也能塑造寄生菌株对超循环的相互作用。一方面，在两种物种互利共生得以繁荣的范围扩张期间，寄生者被排除在种群之外（与经典理论预测一致）。另一方面，环境恶化（例如与有毒化学品相关）可导致寄生菌株的存活，同时重塑三物种内的相互作用。概述了用于合成联合体设计的进化和生态学意义。