生物斑圖（biological patterns）是生命體通過自組織形成的時空有序結(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，其形成機制仍然是未解之謎。
4月4日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院定量合成生物學(xué)全國重點實驗室、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)隊通過構(gòu)建合成基因回路“基因開關(guān)”，闡明了簡單雙穩(wěn)態(tài)調(diào)控系統(tǒng)與微環(huán)境時空異質(zhì)性耦合產(chǎn)生多態(tài)菌落斑圖的普適性機制，實現(xiàn)了多樣化的菌落斑圖的精準(zhǔn)設(shè)計與合成，為理解生物斑圖的形成機制提供了新視角。
雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)與菌落模式的多穩(wěn)態(tài)性
研究團(tuán)隊基于一個常見的實驗體系——大腸桿菌菌落在瓊脂平板上的生長，發(fā)現(xiàn)即使僅依賴一個簡單的合成基因開關(guān)[1,2]，單克隆菌落也能演化出復(fù)雜的空間模式。
該基因開關(guān)由兩個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)隊此前在Nature Chemical Biology上發(fā)表的研究已系統(tǒng)分析了該基因開關(guān)在不同生長環(huán)境下的雙穩(wěn)態(tài)特征，發(fā)現(xiàn)生長速率變化會對基因表達(dá)產(chǎn)生不均衡影響，進(jìn)而重塑細(xì)胞命運決定景觀。
在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊進(jìn)一步探討了細(xì)菌菌落的斑圖形成機制。結(jié)合定量實驗與理論分析，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)控系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)--細(xì)胞生長速率，可以實現(xiàn)從單個細(xì)菌細(xì)胞出發(fā)，細(xì)菌自發(fā)生長與空間擴(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，即使是一個簡單的基因調(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)胞生長速率和營養(yǎng)分布存在顯著的空間差異，這些差異導(dǎo)致了細(xì)胞命運的多樣化。例如，菌落外圍的細(xì)胞由于獲得更多營養(yǎng)，傾向于保持綠色狀態(tài)，而內(nèi)部的細(xì)胞則通過代謝互養(yǎng)方式[3,4]?從外側(cè)細(xì)胞獲取較低品質(zhì)的營養(yǎng)，生長速率較慢，并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色狀態(tài)。這種由微環(huán)境驅(qū)動的細(xì)胞命運分化，最終形成了菌落的環(huán)狀模式。（圖2）
噪聲誘導(dǎo)的對稱性破缺
除了確定性的細(xì)胞命運分化，研究團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)，基因表達(dá)的隨機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)的隨機切換會被“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)的對稱性破缺現(xiàn)象，揭示了細(xì)菌菌落在均勻生長環(huán)境中如何通過自組織行為產(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)胞間信號傳導(dǎo)，而該研究表明，即使在沒有復(fù)雜調(diào)控機制的情況下，簡單的物理化學(xué)作用（如營養(yǎng)擴(kuò)散、消耗和反應(yīng)動力學(xué)）也能通過時空耦合產(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，博士生儲攀、助理研究員朱靜雯為共同第一作者。研究獲國家合成生物學(xué)重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項、深圳市科技計劃支持。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)平臺支撐。
文章上線截圖
圖1 | 一個簡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，則可演化出隨機的扇區(qū)狀斑圖。
圖2 | 環(huán)狀斑圖形成機制示意圖：從單個細(xì)胞開始，細(xì)菌生長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，同時系統(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)胞生長速率的變化驅(qū)動了確定性的狀態(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)部形成了獨特的環(huán)狀斑圖模式。
圖3 | 隨機的扇區(qū)狀斑圖形成機制示意圖：從紅色狀態(tài)的單個細(xì)胞開始，細(xì)胞在早期定植狀態(tài)發(fā)生隨機的命運轉(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)，則受生命運轉(zhuǎn)換發(fā)生的時間窗口的影響。
圖4 |經(jīng)過工程改造的細(xì)胞在紅綠兩種狀態(tài)間切換（類比陰陽），并通過“基因-細(xì)胞-群體”跨層次調(diào)控，演化出斑圖復(fù)雜性，映射出簡單（僅兩個調(diào)控節(jié)點）如何孕育復(fù)雜性的奧秘。
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