在自然界中,，細(xì)胞組成重復(fù)的圖案和結(jié)構(gòu)往往是被精確控制的,，而這種排列使生物長成不同的特定形狀。例如,，人類每只手只長五只手指,，牛有兩只，而馬則只有一只,?？墒?，這些結(jié)構(gòu)是如何形成、原理是什么,，對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),、美國加州大學(xué)圣地亞哥分校以及德國馬爾堡大學(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)研究剛刊登于最新一期國際權(quán)威學(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)胞是如何通過自身的運(yùn)動(dòng)和成長而形成美麗有序的圖案,，這是生物學(xué)上一個(gè)根本的問題,。
研究內(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)上根本的問題,。
具體來說,，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,。他們還透過使用數(shù)學(xué)模型來分析這個(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)雜卻有序的過程,。這過程涉及到細(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,。對于前者來說,，近年來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,，人們對后者的認(rèn)知相對上比較少,。
這項(xiàng)研究通過改造細(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)往往是被精確控制的,。例如,，人類每只手只長五只手指，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)研究能夠簡易地改變細(xì)菌長成的條紋數(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,。（生物谷 Bioon.com）
doi:10.1126/science.1209042
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PMID:
Sequential Establishment of Stripe Patterns in an Expanding Cell Population
Liu, Chenli; Fu, Xiongfei; Liu, Lizhong; Ren, Xiaojing; Chau, Carlos K.L.; Li, Sihong; Xiang, Lu; Zeng, Hualing; Chen, Guanhua; Tang, Lei-Han; Lenz, Peter; Cui, Xiaodong; Huang, Wei; Hwa, Terence; Huang, Jian-Dong
Periodic stripe patterns are ubiquitous in living organisms, yet the underlying developmental processes are complex and difficultto disentangle. We describe a synthetic genetic circuit that couples cell density and motility. This system enabled programmedEscherichia coli cells to form periodic stripes of high and low cell densities sequentially and autonomously. Theoretical and experimentalanalyses reveal that the spatial structure arises from a recurrent aggregation process at the front of the continuously expandingcell population. The number of stripes formed could be tuned by modulating the basal expression of a single gene. The resultsestablish motility control as a simple route to establishing recurrent structures without requiring an extrinsic pacemaker.
