面向世界科技前沿,面向國家重大需求,面向國民經濟主戰場,率先實現科學技術跨越發展,率先建成國家創新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設國際一流科研機構。

——中國科學院辦院方針

首頁 > 傳媒掃描

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 中國科學報 丁寧寧 嚴偲偲 張鑫卉
【字體:

語音播報

  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,并最終發育為完整人體的?同一片森林中的上百種生物是如何搶占生存空間、構建復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。

  中國科學院深圳先進技術研究院(以下簡稱深圳先進院)、深圳合成生物學創新研究院研究員劉陳立課題組,與美國加州大學圣地亞哥分校教授華泰立團隊近年來對物種空間定植的最優策略展開了合作研究。他們發現,對于空間定植,并不是遷移速率越快的種群越有優勢,過快的遷移速率會使種群變得不穩定,容易被遷移速率慢的種群所入侵,種群在不同大小生境的定植,都對應著一個最優的遷徙和生長策略。 11月7日,相關成果以長文形式發表于《自然》雜志。

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

  “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。

  “過去的研究普遍認為,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,并在每種環境中反復“演繹”細菌遷徙過程。在各重復50個循環后,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,一般認為‘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

  為找出菌群“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。

  “兩個菌群出發后,菌群數量的空間分布會出現一個轉折位置,在這里,雙方勢均力敵。”論文第一作者、深圳先進院博士生劉為榮介紹,“在該轉折位置以內的空間中,跑得慢的菌群有優勢,但一旦超出這個位置,跑得快的菌群則以快取勝。”

  隨后,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復競爭實驗證明,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。

  找到遷徙進化規律后,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為所處生態環境的不同,是導致物種多樣性產生的原因。此次提出的這一定量原理則認為,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。這為解釋同一生態環境條件下物種多樣性的產生提供了啟示。

  如果說合成生物學是像拼“樂高”一樣組裝生物結構,那么,本次研究得到的定量公式則為“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,而我們認為,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。

  作為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學重點實驗室趙國屏院士指出,生命科學研究正在開啟以系統化、定量化和工程化為特征的“多學科會聚”研究的新時代,正在逐漸從描述階段,經過分析階段向建構性階段發展,最終達到對生命與生命過程“可預測、可調控和可創造”的目標。在這個過程中,“一個重要的科學問題是獲得對生物體系有序結構形成原理的定量認識”。

  北京大學定量生物學中心歐陽頎院士表示,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。“這個漂亮的工作示范了復雜生物過程背后存在著簡單定量關系。”

  (原載于《中國科學報》 2019-11-08 第1版 要聞)

打印 責任編輯:侯茜

掃一掃在手機打開當前頁

© 1996 - 中國科學院 版權所有 京ICP備05002857號 京公網安備110402500047號

聯系我們 地址:北京市三里河路52號 郵編:100864

  • 3d玩法技巧