對於許多生物，從微生物到復雜的多細胞生命，合作是生命的一個重要方面。當個體以這樣的方式分享資源或分配任務時，它就會出現，即每個個體在一起行動時都能獲得比單獨行動時更多的利益。這方面的例子包括粘菌成群結隊覓食和繁殖，鳥類和魚類成群結隊躲避捕食者，以及細菌形成生物膜以抵抗壓力等。

為了合作，個體必須生活在同一個“社區”。對於細菌來說，這個“社區”可以小到幾十微米。然而，在像海洋這樣的環境中，具有相同基因構成的細胞很少能獨立地共同出現在同一鄰域。而這種必要性給科學家帶來了一個有趣的難題。在生存取決於合作的環境中，細菌是如何建立它們的“社區”的？

麻省理工學院教授Otto X. Cordero及其同事從大自然中獲得靈感來研究這個問題：他們圍繞一種常見的沿海海水細菌開發了一個模型系統，這種細菌需要合作才能從褐藻中攝取糖分。在該系統中，單細胞最初被懸浮在海水中，與其他細胞距離太遠，無法合作。為了分享資源和成長，細胞必須找到一種建立“社區”的機制。土木與環境工程系副教授Cordero說：“令人驚訝的是，每個細胞都能夠通過形成緊密的集群來分裂並創建自己的克隆’社區’。”

最近發表在《當代生物學》雜誌上的一篇新論文，展示了一種食藻細菌如何解決從單細胞狀態開始創建局部細胞密度的工程挑戰。

新論文的主要作者Cordero說：“一個關鍵的發現是表型異質性在支持這種令人驚訝的克隆合作機制中的重要性。”

研究人員使用顯微鏡、轉錄組學和標記實驗的組合來描述細胞的代謝狀態，發現細胞在表型上分化為一個粘性的”殼”群和一個運動的、儲存碳的”核心”。研究人員提出，殼細胞創造了維持合作所需的細胞鄰域，而核心細胞則積累了碳儲存，當多細胞結構破裂時支持進一步的克隆繁殖。

這項工作解決了理解塑造我們地球的細菌過程這一更大挑戰中的一個關鍵部分，例如碳從死亡的有機物回到食物網和大氣中的循環。“細菌從根本上說是單細胞，但它們在自然界中完成的事情往往是通過合作完成的。我們有很多關於細菌能夠共同完成的事情，以及這與它們作為個體的能力有什麼不同，”Cordero補充說。