多细胞聚集体中的共生细胞分化与协作生长

当细胞在给定环境下生长和分裂时，它们会变得拥挤且资源受限，正如细菌生物膜与多细胞聚集体中所见。这些细胞通常通过交换化学物质表现出强烈的相互作用，如群体感应，以实现互利共生。在此，为实现稳定的劳动分工，需要三个属性。第一，同源细胞分化为几种类型。第二，通过实现劳动分工，这种由不同细胞类型组成的聚集体比孤立细胞表现出更好的生长。第三，该细胞聚集体在分化细胞类型的数量分布上具有鲁棒性。我们在此探讨细胞如何同时获得细胞分化与劳动分工的能力，这也与细胞社会的鲁棒性相关。为此，我们开发了一个由具有胞内催化反应动力学的化学组分构成的细胞动力系统模型。这些反应将外部营养物质转化为供细胞生长的内部组分，分裂后的细胞通过化学扩散进行相互作用。我们发现，共享相同催化网络的细胞通过细胞间相互作用诱导自发分化，随后实现劳动分工，从而获得比单细胞情况更高的生长率。这种共生分化出现在一类具有有限资源与强细胞间相互作用的反应网络中。随后，细胞类型分布的鲁棒性得以实现，然而当产物的内部储备占主导时，协作细胞之间甚至可能出现集体生长的不稳定性。本机制简单且通用，是具有资源限制的相互作用细胞的自然结果，并与观察到的几种单细胞生物聚集体的行为与形态相一致。