新合成基因系統(tǒng)有助了解生物圖案形成

在自然界中，細胞組成重復的圖案和結構往往是被控制的，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?，這些結構是如何形成、原理是什么，對人類而言一直是一個迷。一個由香港大學、香港浸會大學、美國加州大學圣地亞哥分校以及德國馬爾堡大學的研究人員所組成的研究團隊，運用合成生物學和定量模型手段，設計并制造了一個合成基因系統(tǒng)，并找出其科學原理。該研究的發(fā)現(xiàn)，有助了解生物圖案的形成。這項研究剛刊登于一期學術期刊 ─《科學》（Science）之中。

研究團隊表示，這項研究探究了到底細胞是如何通過自身的運動和成長而形成美麗有序的圖案，這是生物學上一個根本的問題。

研究內(nèi)容

細胞在時間空間上的有序排列及分布是形成生物結構非常關鍵的一步，這項研究致力于探究這個生物學上根本的問題。

具體來說，研究人員運用合成生物學和定量模型的手段，設計制造了一個由兩個模塊所組成的合成基因系統(tǒng)。通過這個基因系統(tǒng)，他們能夠控制大腸桿菌的運動模式，使其構成一個重復圖案。他們還透過使用數(shù)學模型來分析這個系統(tǒng)形成重復圖案的原理。而且，他們根據(jù)模型提出的方法，成功實現(xiàn)了條紋數(shù)量的調(diào)控。

研究人員設計改造的大腸桿菌能夠從一個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構的形成，提供了一種嶄新的思維及理解。

研究結果及其意義

生物如何從一個細胞發(fā)育生長成為一個成熟的生物體是一個非常復雜卻有序的過程。這過程涉及到細胞分化形成不同類型的細胞，以及細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胞等領域已經(jīng)取得了很大的進展。然而，由于生物系統(tǒng)復雜，人們對后者的認知相對上比較少。

這項研究通過改造細胞成功制作了一個在時空有序的周期性圖案。而且這圖案是可預測和可調(diào)改的。這研究結果提醒我們，在自然界中，重復的圖案和結構往往是被控制的。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300塊脊椎骨。在大自然中這些數(shù)量嚴格控制的周期性結構非常普遍，但是形成這些結構的原理卻還是一個迷。所以要通過基因工程去產(chǎn)生重復結構并控制它們的數(shù)量是一件十分困難的事。這項研究能夠簡易地改變細菌長成的條紋數(shù)量，為人們解釋動物身體數(shù)量特征的形成機制，及如何控制其生長提供了新的思路。

本研究是一項結合系統(tǒng)生物學（systems biology）， 定量生物學（quantitative molecular biology），合成生物學（synthetic biology） 和物理學（physics） 的跨學科研究。這項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)控的機制解釋做出了貢獻，而且也顯示了合成和定量生物學在探索生物學基本原理中的作用。