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加快打造原始創(chuàng)新策源地,，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù),，努力搶占科技制高點,，為把我國建設(shè)成為世界科技強國作出新的更大的貢獻,。

——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿,、面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場,、面向國家重大需求,、面向人民生命健康,，率先實現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展,，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫,，率先建設(shè)國際一流科研機構(gòu),。

——中國科學(xué)院辦院方針

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科研人員精準設(shè)計多樣化菌落斑圖

2025-04-14 深圳先進技術(shù)研究院

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中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院傅雄飛團隊通過構(gòu)建合成基因回路“基因開關(guān)”,，闡明了簡單雙穩(wěn)態(tài)調(diào)控系統(tǒng)與微環(huán)境時空異質(zhì)性耦合產(chǎn)生多態(tài)菌落斑圖的普適性機制,，實現(xiàn)了多樣化的菌落斑圖的精準設(shè)計與合成，為探討生物斑圖的形成機制提供了新視角,。

研究基于常見的實驗體系——大腸桿菌菌落在瓊脂平板上的生長發(fā)現(xiàn),，即使僅依賴一個簡單的合成“基因開關(guān)”,，單克隆菌落也能夠演化出復(fù)雜的空間模式。這一“基因開關(guān)”由兩個互相抑制的基因組成,，分別定義為綠色狀態(tài)和紅色狀態(tài),。此前，該團隊在《自然-化學(xué)生物學(xué)》上分析報道了該“基因開關(guān)”在不同生長環(huán)境下的雙穩(wěn)態(tài)特征,，發(fā)現(xiàn)了生長速率變化對基因表達產(chǎn)生不均衡影響,，進而重塑細胞命運決定景觀。以此為基礎(chǔ),，團隊剖析了細菌菌落的斑圖形成機制,。團隊結(jié)合定量實驗與理論分析發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)控系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)即細胞生長速率,，可實現(xiàn)從單個細菌細胞出發(fā),，細菌自發(fā)生長與空間擴張，形成多種不同的空間分布的菌落斑圖,，包括環(huán)狀,、均質(zhì)和扇區(qū)狀等斑圖模式。這些多樣性的菌落斑圖表明,，即使是簡單的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò),，也可以在細菌菌落中引發(fā)復(fù)雜的空間組織行為。

研究采用定量成像和空間分辨轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù),，分析了菌落內(nèi)部的微環(huán)境異質(zhì)性,。研究發(fā)現(xiàn)，菌落內(nèi)部的細胞生長速率和營養(yǎng)分布存在空間差異,，且這些差異導(dǎo)致細胞命運多樣化,。例如，菌落外圍的細胞由于獲得更多營養(yǎng),，傾向于保持綠色狀態(tài),，而內(nèi)部的細胞則通過代謝互養(yǎng)方式從外側(cè)細胞獲取較低品質(zhì)的營養(yǎng)且生長速率較慢，并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色狀態(tài),。這種微環(huán)境驅(qū)動的細胞命運分化形成了菌落的環(huán)狀模式,。

除確定性的細胞命運分化，研究還發(fā)現(xiàn),，基因表達的隨機性在菌落模式的形成中也起到關(guān)鍵作用,。在菌落擴展的早期階段，細胞狀態(tài)的隨機切換被“奠基者效應(yīng)”放大,，導(dǎo)致菌落外圍出現(xiàn)紅綠相嵌合的扇區(qū)狀斑圖,。這種噪聲誘導(dǎo)的對稱性破缺現(xiàn)象，揭示了細菌菌落在均勻生長環(huán)境中如何通過自組織行為產(chǎn)生復(fù)雜的空間模式,。

該研究表明,，即使在沒有復(fù)雜調(diào)控機制的情況下,，簡單的物理化學(xué)作用如營養(yǎng)擴散、消耗和反應(yīng)動力學(xué)也能通過時空耦合產(chǎn)生復(fù)雜的模式,。這為探究胚胎發(fā)育早期體軸形成,、腫瘤微環(huán)境異質(zhì)性等生物自組織現(xiàn)象提供了新視角。

近期,，相關(guān)研究成果以Colony pattern multi-stability emerges from a bistable switch為題,，發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃,、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項及深圳市科技計劃的支持,。

經(jīng)過工程改造的細胞在紅綠兩種狀態(tài)間切換（類比陰陽），并通過“基因-細胞-群體”跨層次調(diào)控,，演化出斑圖復(fù)雜性,，映射出簡單（僅兩個調(diào)控節(jié)點）如何孕育復(fù)雜性的奧秘。

生物斑圖是生命體通過自組織形成的時空有序結(jié)構(gòu),。生物斑圖展現(xiàn)出生命系統(tǒng)的復(fù)雜性,，并在生物發(fā)育、生態(tài)適應(yīng)和疾病進展等領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用,。盡管生物斑圖在自然界廣泛存在,，其形成機制仍是未解之謎。中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院傅雄飛團隊通過構(gòu)建合成基因回路“基因開關(guān)”,，闡明了簡單雙穩(wěn)態(tài)調(diào)控系統(tǒng)與微環(huán)境時空異質(zhì)性耦合產(chǎn)生多態(tài)菌落斑圖的普適性機制,，實現(xiàn)了多樣化的菌落斑圖的精準設(shè)計與合成，為探討生物斑圖的形成機制提供了新視角,。研究基于常見的實驗體系——大腸桿菌菌落在瓊脂平板上的生長發(fā)現(xiàn),，即使僅依賴一個簡單的合成“基因開關(guān)”，單克隆菌落也能夠演化出復(fù)雜的空間模式,。這一“基因開關(guān)”由兩個互相抑制的基因組成,，分別定義為綠色狀態(tài)和紅色狀態(tài)。此前,，該團隊在《自然-化學(xué)生物學(xué)》上分析報道了該“基因開關(guān)”在不同生長環(huán)境下的雙穩(wěn)態(tài)特征,，發(fā)現(xiàn)了生長速率變化對基因表達產(chǎn)生不均衡影響,，進而重塑細胞命運決定景觀,。以此為基礎(chǔ)，團隊剖析了細菌菌落的斑圖形成機制,。團隊結(jié)合定量實驗與理論分析發(fā)現(xiàn),，通過調(diào)控系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)即細胞生長速率，可實現(xiàn)從單個細菌細胞出發(fā),，細菌自發(fā)生長與空間擴張,，形成多種不同的空間分布的菌落斑圖,，包括環(huán)狀、均質(zhì)和扇區(qū)狀等斑圖模式,。這些多樣性的菌落斑圖表明,，即使是簡單的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，也可以在細菌菌落中引發(fā)復(fù)雜的空間組織行為,。研究采用定量成像和空間分辨轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù),，分析了菌落內(nèi)部的微環(huán)境異質(zhì)性。研究發(fā)現(xiàn),，菌落內(nèi)部的細胞生長速率和營養(yǎng)分布存在空間差異,，且這些差異導(dǎo)致細胞命運多樣化。例如,，菌落外圍的細胞由于獲得更多營養(yǎng),，傾向于保持綠色狀態(tài)，而內(nèi)部的細胞則通過代謝互養(yǎng)方式從外側(cè)細胞獲取較低品質(zhì)的營養(yǎng)且生長速率較慢,，并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色狀態(tài),。這種微環(huán)境驅(qū)動的細胞命運分化形成了菌落的環(huán)狀模式。除確定性的細胞命運分化,，研究還發(fā)現(xiàn),，基因表達的隨機性在菌落模式的形成中也起到關(guān)鍵作用。在菌落擴展的早期階段,，細胞狀態(tài)的隨機切換被“奠基者效應(yīng)”放大,，導(dǎo)致菌落外圍出現(xiàn)紅綠相嵌合的扇區(qū)狀斑圖。這種噪聲誘導(dǎo)的對稱性破缺現(xiàn)象,，揭示了細菌菌落在均勻生長環(huán)境中如何通過自組織行為產(chǎn)生復(fù)雜的空間模式,。該研究表明，即使在沒有復(fù)雜調(diào)控機制的情況下,，簡單的物理化學(xué)作用如營養(yǎng)擴散,、消耗和反應(yīng)動力學(xué)也能通過時空耦合產(chǎn)生復(fù)雜的模式。這為探究胚胎發(fā)育早期體軸形成,、腫瘤微環(huán)境異質(zhì)性等生物自組織現(xiàn)象提供了新視角,。近期，相關(guān)研究成果以Colony pattern multi-stability emerges from a bistable switch為題,，發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上,。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項及深圳市科技計劃的支持,。經(jīng)過工程改造的細胞在紅綠兩種狀態(tài)間切換（類比陰陽）,，并通過“基因-細胞-群體”跨層次調(diào)控，演化出斑圖復(fù)雜性，映射出簡單（僅兩個調(diào)控節(jié)點）如何孕育復(fù)雜性的奧秘,。

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