細菌通過多個趨化受體來感受周圍不同的化學小分子，主動游動，實現獲得更好的生長環境或者實現趨利避害。但不是強的正趨小分子都是很好的可利用營養物質—好聞的不一定有營養，同樣，也不是容易代謝的營養就是強的趨化因子—有營養的不一定好聞。細菌在自然界中往往面臨多種不同強弱的趨化小分子，多種不同可代謝程度的營養來源的復雜濃度梯度環境中，細菌群落是如何通過趨化行為抉擇它們的去向，實現最優化它們的環境適應性與生長速度？細菌在個體與群體的選擇上是否有不同？這一基于細菌的生物行為的研究也許對了解復雜的高等生物的群體行為也有所幫助。

北京大學物理學院歐陽頎院士領導的“生物物理”團隊的羅春雄研究組在基于微流體細菌趨化分析芯片的實驗研究中發現：在反向不同引誘物濃度梯度下，細菌首先趨向聚集于強引誘物而少營養的一端， 但當細胞密度超過一個閾值時，細菌群落部分“逃逸”強引誘物濃度場，游向趨化因子相對弱但可代謝物質富集的一端。這一現象被刻畫為細菌群體運動的“逃逸相變行為”。羅春雄研究組通過與美國IBM沃森研究中心的涂豫海教授（北大定量生物學中心資深訪問學者）合作，對此現象涉及的趨化受體間的協作行為進行了系統細致的理論分析和實驗論證，發現營養物質通過數量較少的Tap趨化受體進行了響應行為，而且在較大的一個趨化響應參數空間均會出現由細菌密度超過臨界密度而產生的逃逸條帶（“Escape Band”）行為，該行為可以使得細菌群落在復雜的趨化物濃度場中獲得更好的生長優勢。相關的定量實驗與理論研究以“The escape band in Escherichia coli chemotaxis in opposing attractant and nutrient gradients”為題于2019年1月23日在線發表于Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS）雜志上。

細菌群體趨化運動的“逃逸相變行為”

文章第一作者為北京大學定量生物學中心博士研究生張玄麒,通訊作者為北京大學物理學院/定量生物學中心羅春雄教授及美國IBM沃森研究中心/定量生物學中心的涂豫海教授，參與人包括歐陽頎院士，前沿交叉學科研究院博士研究生司光偉，董一名，物理學院博士研究生陳凱悅。工作得到國家自然科學基金委、物理學院介觀物理重點實驗室、 北京大學定量生物學中心、北大-清華生命科學聯合中心的支持。

工作原文連接: 

https://www.pnas.org/content/early/2019/01/22/1808200116