PNAS | 定量合成生物學(xué)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)多樣性菌落斑圖
生物斑圖(biological patterns)是生命體通過(guò)自組織形成的時(shí)空有序結(jié)構(gòu),例如微生物分形菌落、葉脈拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)、動(dòng)物皮毛色斑等。生物斑圖不僅展現(xiàn)了生命系統(tǒng)的復(fù)雜性,還在生物發(fā)育、生態(tài)適應(yīng)和疾病進(jìn)展等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而,盡管生物斑圖在自然界廣泛存在,其形成機(jī)制仍然是未解之謎。
4月4日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院定量合成生物學(xué)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、合成生物學(xué)研究所合成生物進(jìn)化研究中心傅雄飛團(tuán)隊(duì)在PNAS上發(fā)表題為“Colony pattern multi-stability emerges from a bistable switch”的研究論文,研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)構(gòu)建合成基因回路“基因開(kāi)關(guān)”,闡明了簡(jiǎn)單雙穩(wěn)態(tài)調(diào)控系統(tǒng)與微環(huán)境時(shí)空異質(zhì)性耦合產(chǎn)生多態(tài)菌落斑圖的普適性機(jī)制,實(shí)現(xiàn)了多樣化的菌落斑圖的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)與合成,為理解生物斑圖的形成機(jī)制提供了新視角。
雙穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)與菌落模式的多穩(wěn)態(tài)性
研究團(tuán)隊(duì)基于一個(gè)常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)體系——大腸桿菌菌落在瓊脂平板上的生長(zhǎng),發(fā)現(xiàn)即使僅依賴一個(gè)簡(jiǎn)單的合成基因開(kāi)關(guān)[1, 2],單克隆菌落也能演化出復(fù)雜的空間模式。
該基因開(kāi)關(guān)由兩個(gè)互相抑制的基因組成,分別定義為“綠色狀態(tài)”和“紅色狀態(tài)”。研究團(tuán)隊(duì)此前在Nature Chemical Biology上發(fā)表的研究已系統(tǒng)分析了該基因開(kāi)關(guān)在不同生長(zhǎng)環(huán)境下的雙穩(wěn)態(tài)特征,發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)速率變化會(huì)對(duì)基因表達(dá)產(chǎn)生不均衡影響,進(jìn)而重塑細(xì)胞命運(yùn)決定景觀。
在此基礎(chǔ)上,團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探討了細(xì)菌菌落的斑圖形成機(jī)制。結(jié)合定量實(shí)驗(yàn)與理論分析,研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),通過(guò)調(diào)控系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)--細(xì)胞生長(zhǎng)速率,可以實(shí)現(xiàn)從單個(gè)細(xì)菌細(xì)胞出發(fā),細(xì)菌自發(fā)生長(zhǎng)與空間擴(kuò)張,最終形成多種不同的空間分布的菌落斑圖,包括環(huán)狀、均質(zhì)和扇區(qū)狀等斑圖模式。這些多樣性的菌落斑圖表明,即使是一個(gè)簡(jiǎn)單的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò),也能在細(xì)菌菌落中引發(fā)復(fù)雜的空間組織行為。(圖1)
微環(huán)境異質(zhì)性如何重塑表型景觀
研究團(tuán)隊(duì)采用定量成像和空間分辨轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù),深入分析了菌落內(nèi)部的微環(huán)境異質(zhì)性。研究發(fā)現(xiàn),菌落內(nèi)部的細(xì)胞生長(zhǎng)速率和營(yíng)養(yǎng)分布存在顯著的空間差異,這些差異導(dǎo)致了細(xì)胞命運(yùn)的多樣化。例如,菌落外圍的細(xì)胞由于獲得更多營(yíng)養(yǎng),傾向于保持綠色狀態(tài),而內(nèi)部的細(xì)胞則通過(guò)代謝互養(yǎng)方式[3, 4]?從外側(cè)細(xì)胞獲取較低品質(zhì)的營(yíng)養(yǎng),生長(zhǎng)速率較慢,并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色狀態(tài)。這種由微環(huán)境驅(qū)動(dòng)的細(xì)胞命運(yùn)分化,最終形成了菌落的環(huán)狀模式。(圖2)
噪聲誘導(dǎo)的對(duì)稱性破缺
除了確定性的細(xì)胞命運(yùn)分化,研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn),基因表達(dá)的隨機(jī)性在菌落模式的形成中也起到了關(guān)鍵作用。在菌落擴(kuò)展的早期階段,細(xì)胞狀態(tài)的隨機(jī)切換會(huì)被“奠基者效應(yīng)”放大,導(dǎo)致菌落外圍出現(xiàn)紅綠相嵌合的扇區(qū)狀斑圖。這種噪聲誘導(dǎo)的對(duì)稱性破缺現(xiàn)象,揭示了細(xì)菌菌落在均勻生長(zhǎng)環(huán)境中如何通過(guò)自組織行為產(chǎn)生復(fù)雜的空間模式。(圖3)
研究的意義與未來(lái)展望
傳統(tǒng)上,生物模式的形成往往被歸因于復(fù)雜的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)或細(xì)胞間信號(hào)傳導(dǎo),而該研究表明,即使在沒(méi)有復(fù)雜調(diào)控機(jī)制的情況下,簡(jiǎn)單的物理化學(xué)作用(如營(yíng)養(yǎng)擴(kuò)散、消耗和反應(yīng)動(dòng)力學(xué))也能通過(guò)時(shí)空耦合產(chǎn)生復(fù)雜的模式。該發(fā)現(xiàn)為理解胚胎發(fā)育早期體軸形成、腫瘤微環(huán)境異質(zhì)性等生物自組織現(xiàn)象提供了新視角。
作者信息
中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員傅雄飛為通訊作者,博士生儲(chǔ)攀、助理研究員朱靜雯為共同第一作者。研究獲國(guó)家合成生物學(xué)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)、深圳市科技計(jì)劃支持。深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院與深圳合成生物研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施提供關(guān)鍵技術(shù)平臺(tái)支撐。

文章上線截圖

圖1 | 一個(gè)簡(jiǎn)單的基因線路如何產(chǎn)生復(fù)雜的菌落斑圖:當(dāng)細(xì)胞從綠色狀態(tài)起始,菌落可演化出環(huán)狀或均勻的紅色斑圖;從紅色狀態(tài)起始,則可演化出隨機(jī)的扇區(qū)狀斑圖。

圖2 | 環(huán)狀斑圖形成機(jī)制示意圖:從單個(gè)細(xì)胞開(kāi)始,細(xì)菌生長(zhǎng)分裂形成密集的菌落。在定植后的初期階段,細(xì)胞呈指數(shù)增長(zhǎng),同時(shí)系統(tǒng)保持雙穩(wěn)態(tài)。隨著菌落的擴(kuò)展,微環(huán)境中的空間異質(zhì)性逐漸顯現(xiàn),導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)速率的變化驅(qū)動(dòng)了確定性的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。這種空間異質(zhì)性及其引發(fā)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換,最終在菌落內(nèi)部形成了獨(dú)特的環(huán)狀斑圖模式。

圖3 | 隨機(jī)的扇區(qū)狀斑圖形成機(jī)制示意圖:從紅色狀態(tài)的單個(gè)細(xì)胞開(kāi)始,細(xì)胞在早期定植狀態(tài)發(fā)生隨機(jī)的命運(yùn)轉(zhuǎn)換,并占據(jù)擴(kuò)張的前沿,隨著菌落的擴(kuò)張,奠基者效應(yīng)將這些微小的隨機(jī)事件放大,并形成多樣的斑圖,而斑圖的最終狀態(tài),則受生命運(yùn)轉(zhuǎn)換發(fā)生的時(shí)間窗口的影響。

圖4 |經(jīng)過(guò)工程改造的細(xì)胞在紅綠兩種狀態(tài)間切換(類(lèi)比陰陽(yáng)),并通過(guò)“基因-細(xì)胞-群體”跨層次調(diào)控,演化出斑圖復(fù)雜性,映射出簡(jiǎn)單(僅兩個(gè)調(diào)控節(jié)點(diǎn))如何孕育復(fù)雜性的奧秘。
附件下載: