新合成基因系統(tǒng)有助了解生物圖案形成

在自然界中，細(xì)胞組成重復(fù)的圖案和結(jié)構(gòu)往往是被控制的，而這種排列使生物長(zhǎng)成不同的特定形狀。例如，人類每只手只長(zhǎng)五只手指，牛有兩只，而馬則只有一只。可是，這些結(jié)構(gòu)是如何形成、原理是什么，對(duì)人類而言一直是一個(gè)迷。一個(gè)由香港大學(xué)、香港浸會(huì)大學(xué)、美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校以及德國(guó)馬爾堡大學(xué)的研究人員所組成的研究團(tuán)隊(duì)，運(yùn)用合成生物學(xué)和定量模型手段，設(shè)計(jì)并制造了一個(gè)合成基因系統(tǒng)，并找出其科學(xué)原理。該研究的發(fā)現(xiàn)，有助了解生物圖案的形成。這項(xiàng)研究剛刊登于一期學(xué)術(shù)期刊 ─《科學(xué)》（Science）之中。

研究團(tuán)隊(duì)表示，這項(xiàng)研究探究了到底細(xì)胞是如何通過(guò)自身的運(yùn)動(dòng)和成長(zhǎng)而形成美麗有序的圖案，這是生物學(xué)上一個(gè)根本的問(wèn)題。

研究?jī)?nèi)容

細(xì)胞在時(shí)間空間上的有序排列及分布是形成生物結(jié)構(gòu)非常關(guān)鍵的一步，這項(xiàng)研究致力于探究這個(gè)生物學(xué)上根本的問(wèn)題。

具體來(lái)說(shuō)，研究人員運(yùn)用合成生物學(xué)和定量模型的手段，設(shè)計(jì)制造了一個(gè)由兩個(gè)模塊所組成的合成基因系統(tǒng)。通過(guò)這個(gè)基因系統(tǒng)，他們能夠控制大腸桿菌的運(yùn)動(dòng)模式，使其構(gòu)成一個(gè)重復(fù)圖案。他們還透過(guò)使用數(shù)學(xué)模型來(lái)分析這個(gè)系統(tǒng)形成重復(fù)圖案的原理。而且，他們根據(jù)模型提出的方法，成功實(shí)現(xiàn)了條紋數(shù)量的調(diào)控。

研究人員設(shè)計(jì)改造的大腸桿菌能夠從一個(gè)中心開始長(zhǎng)成空間上有序排布的周期性條紋狀圖紋。此外，研究人員還成功控制了條紋產(chǎn)生的數(shù)量。這為解釋生物發(fā)育過(guò)程中定量控制結(jié)構(gòu)的形成，提供了一種嶄新的思維及理解。

研究結(jié)果及其意義

生物如何從一個(gè)細(xì)胞發(fā)育生長(zhǎng)成為一個(gè)成熟的生物體是一個(gè)非常復(fù)雜卻有序的過(guò)程。這過(guò)程涉及到細(xì)胞分化形成不同類型的細(xì)胞，以及細(xì)胞在空間上的相互協(xié)調(diào)而形成有序的排列。對(duì)于前者來(lái)說(shuō)，近年來(lái)的研究在基因編碼干細(xì)胞等領(lǐng)域已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。然而，由于生物系統(tǒng)復(fù)雜，人們對(duì)后者的認(rèn)知相對(duì)上比較少。

這項(xiàng)研究通過(guò)改造細(xì)胞成功制作了一個(gè)在時(shí)空有序的周期性圖案。而且這圖案是可預(yù)測(cè)和可調(diào)改的。這研究結(jié)果提醒我們，在自然界中，重復(fù)的圖案和結(jié)構(gòu)往往是被控制的。例如，人類每只手只長(zhǎng)五只手指，牛有兩只，而馬則只有一只；人類的脊椎有33塊脊椎骨，而蛇的脊椎則可多達(dá)300塊脊椎骨。在大自然中這些數(shù)量嚴(yán)格控制的周期性結(jié)構(gòu)非常普遍，但是形成這些結(jié)構(gòu)的原理卻還是一個(gè)迷。所以要通過(guò)基因工程去產(chǎn)生重復(fù)結(jié)構(gòu)并控制它們的數(shù)量是一件十分困難的事。這項(xiàng)研究能夠簡(jiǎn)易地改變細(xì)菌長(zhǎng)成的條紋數(shù)量，為人們解釋動(dòng)物身體數(shù)量特征的形成機(jī)制，及如何控制其生長(zhǎng)提供了新的思路。

本研究是一項(xiàng)結(jié)合系統(tǒng)生物學(xué)（systems biology）， 定量生物學(xué)（quantitative molecular biology），合成生物學(xué)（synthetic biology） 和物理學(xué)（physics） 的跨學(xué)科研究。這項(xiàng)研究成果不但對(duì)于形成周期性圖紋以及圖紋數(shù)量的調(diào)控的機(jī)制解釋做出了貢獻(xiàn)，而且也顯示了合成和定量生物學(xué)在探索生物學(xué)基本原理中的作用。