深圳科学家再登Nature杂志发现合成生物体系空间构建原理 生物组

  南方网讯 一个受精卵分裂出的40万亿细胞是如何有序形成各个组织器官,并最终发育为完整人体?尽管进化论指出了生命的演化规律和发展方向,但多细胞生物的“按需制造”原理尚未知晓,“物竞天择”也难以解释同一环境下的物种多样性。

  如今,这一生命发展的本质规律,用一个公式就能“算”出来——中国科学院深圳先进技术研究院、深圳合成生物学创新研究院刘陈立研究员实验室,与加州大学圣地亚哥分校华泰立教授团队合作,2019年11月7日在Nature杂志发表了研究论文。该研究经过5年时间的大量进化生物学、定量生物学和合成生物学研究,反复研究空间迁徙与进化,最终得到一个揭示生物迁徙进化策略的定量规律,为合成生物学、生态学等提供了全新的理论指导和启示。

  非洲动物大迁徙是自然界一大奇观,每年数以百万的动物分为前中后“三军”向北进发,打头阵的是20多万匹野斑马,紧跟其后的是百万头角马,最后的是50万只瞪羚。在此期间,还有40万新生命加入队伍。

  将上述大场面搬进实验室,把动物替换成细菌放进培养皿,便成了刘陈立团队研究的对象——细菌迁徙。“过去的研究普遍认为,在细菌迁徙的竞争中,想要占领最大疆域,扩张速度越快越好,不同细菌单独跑的情况下也确实如此;然而,不同细菌同时跑的时候,情况出人意料。”刘陈立说道。

  在探究细菌迁徙的前期实验中,团队设计了4种培养环境,在每种环境中反复“演绎”细菌迁徙过程,各重复50个循环后发现:菌群的迁移速率呈发散状变化,占领外围的菌群越“跑”越快,而占领中心的菌群则不断放慢“脚步”。“这一现象出乎我们的意料,在均一环境下,一般认为是‘先到先得’,速度变慢则意味着被淘汰,此前领域内的研究也都未注意到运动速度慢也有优势。”刘陈立表示。

  为找出菌群“攻城略地”的关键因素和共性规律,团队在后期设计了两两竞争实验,让运动速度不同的两个菌群在同一起点同时“扩张”,结果显示,一个非常特别的分水岭出现了。

  “两个菌群出发后,菌群数量的空间分布会出现一个转折位置,在这里双方‘势均力敌’。”刘陈立的博士生、也是论文的第一作者刘为荣介绍说,“在该位置以内的空间,跑得慢的菌群占有优势,一旦超出这个位置,跑得快的菌群则以快取胜。”随后,团队继续将“细菌大战”的实验扩展到三个菌群,结果形成了两大分水岭,@太原人!本月起公交路线场招聘会 赶紧看!!由慢到快运动速度不同的菌群,从内而外各自占据了优势空间。经过5组进化菌群和合成生物学改造菌群的反复竞争实验证明,这一现象具有普遍性。

  刘陈立总结说,在整个迁徙过程中,每个种群都有着自己的“扩张策略”,根据想占领的空间、面积及位置,调控各自的迁徙和生长速度,最终构成各占一隅的稳定格局。

  找到迁徙进化的规律后,研究团队根据模型计算和实验验证推导出一个简单定量公式,包含生存面积、运动速度、生长速度这三大关键因素。根据该公式,在已知空间大小的条件下,便能算出迁徙进化的最优策略。

  从合成生物学角度而言,如果说合成生物学是像拼“乐高”一样组装生物结构,那么本次研究得到的定量公式则为“造物”工程提供了全新的设计理论。

  “万有引力、热力学定律……物理世界已有许多规律可循。而我们认为,生物世界同样存在定量规律,理解了定量规律后,才可以真正实现生物工程化,最终达到造物致知、造物致用。”刘陈立表示。

  作为基础研究领域的重大突破,此次从细菌上学习到的生物迁徙进化规律,能够从理论上指导多细胞生物或生态体系的构建。未来,在该理论的指导下,交通违法图像可上网查 用户须车主并持北京驾照,调控细胞运动、生长速度,定量计算细胞在空间中的分布位置,有望实现生物组织和器官的工程化合成。