从细菌迁徙中发现 “造物” 工具

来源: 中国科学报 / 作者: 2019-11-08
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一颗受精卵分裂出的 40 万亿个细胞是如何有序形成各个组织器官,并最终发育为完整人体的?同一片森林中的上百种生物是如何抢占生存空间、构建复杂而稳定的生态系统的?虽然进化论指出了生命的演化规律和发展方向,但多细胞生物的 “按需制造” 的原理一直以来是个谜题,“物竞天择”也难以解释同一环境下的物种多样性。

如今,这一生命发展的本质规律,或用一个公式就能 “算” 出来。

中国科学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。

这一揭示生物迁徙进化策略的定量规律,为合成生物学、生态学提供了全新的理论指导和启示。

“抢地盘” 不光靠 “跑得快”

动物大迁徙是自然界的一大奇观,刘陈立团队研究的也是 “迁徙”,不过研究对象不是动物,而是细菌。

“过去的研究普遍认为,在细菌迁徙的竞争中,想要占领最大疆域,细菌扩张速度越快越好,在不同细菌单独跑的情况下也确实如此。” 刘陈立说。

然而,当不同细菌同时起跑,情况却出乎意料。

在探究细菌迁徙的前期实验中,研究团队设计了 4 种培养环境,并在每种环境中反复 “演绎” 细菌迁徙过程。在各重复 50 个循环后,他们发现,菌群的迁移速率呈发散状变化,占领外围的菌群越 “跑” 越快,而占领中心的菌群则不断放慢“脚步”。

“在均一环境下,一般认为‘先到先得’,速度变慢意味着被淘汰。此前的研究也未注意到运动速度慢也有优势。” 刘陈立解释道,“我们的实验说明细菌在空间扩张过程中,不止采用加快运动速度这一种策略,还有其他因素决定最终‘版图’的分布。”

菌群大战 “暴露” 迁徙规律

为找出菌群 “攻城略地” 的关键因素和共性规律,团队设计了两两竞争实验,让运动速度不同的两个菌群在同一起点同时“扩张”。结果,一个非常特别的分水岭出现了。

“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。” 论文第一作者、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。”

随后,团队将 “细菌大战” 的实验扩展到 3 个菌群,结果形成了两大分水岭。由慢到快运动速度不同的菌群,从内而外各自占据了优势空间。研究人员通过 5 组进化菌群和合成生物学改造菌群的反复竞争实验证明,这一现象具有普遍性。

刘陈立表示,在整个迁徙过程中,每个种群都有着自己的 “扩张策略”,根据想占领的空间面积及位置,调控各自的迁徙和生长速度,最终构成各占一隅的稳定格局。

找到迁徙进化规律后,研究团队根据模型计算和实验验证,推导出一个简单定量公式,包含生存面积、运动速度、生长速度这三大关键因素,总结了细菌通过平衡生长和运动的进化策略来实现空间上的分布多样性规律,据此,在已知空间大小的条件下,便能算出迁徙进化的最优策略。

“造物” 工程获强大工具

此前的生态学理论大多认为所处生态环境的不同,是导致物种多样性产生的原因。此次提出的这一定量原理则认为,不同物种在抢占各自的生存空间时,有着不同的生长速度和运动速度。这为解释同一生态环境条件下物种多样性的产生提供了启示。

如果说合成生物学是像拼 “乐高” 一样组装生物结构,那么,本次研究得到的定量公式则为 “造物” 工程提供了全新的设计理论。

“物理世界已有许多规律可循,而我们认为,生物世界同样存在定量规律,理解了规律,才可以真正实现生物的工程化,最终实现造物致知、造物致用。” 刘陈立表示。

作为基础研究领域的突破,该研究发现的生物迁徙进化规律,能够从理论上指导多细胞生物或生态体系的构建,在该理论的指导下,科学家有望调控细胞运动、生长速度,定量计算细胞在空间中的分布位置,实现生物组织和器官的工程化合成。

中国科学院合成生物学重点实验室赵国屏院士指出,生命科学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”。

北京大学定量生物学中心欧阳颀院士表示,这一工作在针对微观生态进化的 “时域” 与“空域”的精细定量程度与系统程度方面跨出了一大步。“这个漂亮的工作示范了复杂生物过程背后存在着简单定量关系。”

相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1734-x

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