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從細菌遷徙中發現“造物”工具

科學家發現合成生物體系空間構建原理

2019-11-08 中國科學报 丁宁宁 严偲偲 张鑫卉
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  一顆受精卵分裂出的40萬億個細胞是如何有序形成各個組織器官,並最終發育爲完整人體的?同一片森林中的上百種生物是如何搶占生存空間、構建複雜而穩定的生態系統的?雖然進化論指出了生命的演化規律和發展方向,但多細胞生物的“按需制造”的原理一直以來是個謎題,“物競天擇”也難以解釋同一環境下的物種多樣性。

  如今,這一生命發展的本質規律,或用一個公式就能“算”出來。

  中國科學院深圳先进技术研究院(以下简称深圳先进院)、深圳合成生物学创新研究院研究员刘陈立课题组,与美国加州大学圣地亚哥分校教授华泰立团队近年来对物种空间定植的最优策略展开了合作研究。他们发现,对于空间定植,并不是迁移速率越快的种群越有优势,过快的迁移速率会使种群变得不稳定,容易被迁移速率慢的种群所入侵,种群在不同大小生境的定植,都对应着一个最优的迁徙和生长策略。 11月7日,相关成果以长文形式发表于《自然》杂志。

  這一揭示生物遷徙進化策略的定量規律,爲合成生物學、生態學提供了全新的理論指導和啓示。

  “搶地盤”不光靠“跑得快”

  動物大遷徙是自然界的一大奇觀,劉陳立團隊研究的也是“遷徙”,不過研究對象不是動物,而是細菌。

  “過去的研究普遍認爲,在細菌遷徙的競爭中,想要占領最大疆域,細菌擴張速度越快越好,在不同細菌單獨跑的情況下也確實如此。”劉陳立說。

  然而,當不同細菌同時起跑,情況卻出乎意料。

  在探究細菌遷徙的前期實驗中,研究團隊設計了4種培養環境,並在每種環境中反複“演繹”細菌遷徙過程。在各重複50個循環後,他們發現,菌群的遷移速率呈發散狀變化,占領外圍的菌群越“跑”越快,而占領中心的菌群則不斷放慢“腳步”。

  “在均一環境下,一般認爲‘先到先得’,速度變慢意味著被淘汰。此前的研究也未注意到運動速度慢也有優勢。”劉陳立解釋道,“我們的實驗說明細菌在空間擴張過程中,不止采用加快運動速度這一種策略,還有其他因素決定最終‘版圖’的分布。”

  菌群大戰“暴露”遷徙規律

  爲找出菌群“攻城略地”的關鍵因素和共性規律,團隊設計了兩兩競爭實驗,讓運動速度不同的兩個菌群在同一起點同時“擴張”。結果,一個非常特別的分水嶺出現了。

  “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。”論文第一作者、深圳先进院博士生刘为荣介绍,“在该转折位置以内的空间中,跑得慢的菌群有优势,但一旦超出这个位置,跑得快的菌群则以快取胜。”

  隨後,團隊將“細菌大戰”的實驗擴展到3個菌群,結果形成了兩大分水嶺。由慢到快運動速度不同的菌群,從內而外各自占據了優勢空間。研究人員通過5組進化菌群和合成生物學改造菌群的反複競爭實驗證明,這一現象具有普遍性。

  劉陳立表示,在整個遷徙過程中,每個種群都有著自己的“擴張策略”,根據想占領的空間面積及位置,調控各自的遷徙和生長速度,最終構成各占一隅的穩定格局。

  找到遷徙進化規律後,研究團隊根據模型計算和實驗驗證,推導出一個簡單定量公式,包含生存面積、運動速度、生長速度這三大關鍵因素,總結了細菌通過平衡生長和運動的進化策略來實現空間上的分布多樣性規律,據此,在已知空間大小的條件下,便能算出遷徙進化的最優策略。

  “造物”工程獲強大工具

  此前的生態學理論大多認爲所處生態環境的不同,是導致物種多樣性産生的原因。此次提出的這一定量原理則認爲,不同物種在搶占各自的生存空間時,有著不同的生長速度和運動速度。這爲解釋同一生態環境條件下物種多樣性的産生提供了啓示。

  如果說合成生物學是像拼“樂高”一樣組裝生物結構,那麽,本次研究得到的定量公式則爲“造物”工程提供了全新的設計理論。

  “物理世界已有許多規律可循,而我們認爲,生物世界同樣存在定量規律,理解了規律,才可以真正實現生物的工程化,最終實現造物致知、造物致用。”劉陳立表示。

  作爲基礎研究領域的突破,該研究發現的生物遷徙進化規律,能夠從理論上指導多細胞生物或生態體系的構建,在該理論的指導下,科學家有望調控細胞運動、生長速度,定量計算細胞在空間中的分布位置,實現生物組織和器官的工程化合成。

  中國科學院合成生物学重点实验室赵国屏院士指出,生命科學研究正在开启以系统化、定量化和工程化为特征的“多学科会聚”研究的新时代,正在逐渐从描述阶段,经过分析阶段向建构性阶段发展,最终达到对生命与生命过程“可预测、可调控和可创造”的目标。在这个过程中,“一个重要的科学问题是获得对生物体系有序结构形成原理的定量认识”。

  北京大學定量生物學中心歐陽颀院士表示,這一工作在針對微觀生態進化的“時域”與“空域”的精細定量程度與系統程度方面跨出了一大步。“這個漂亮的工作示範了複雜生物過程背後存在著簡單定量關系。”

  (原载于《中國科學报》 2019-11-08 第1版 要闻)

打印 責任編輯:侯茜

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