在合成生物學(xué)領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)細(xì)菌細(xì)胞周期控制規(guī)律
中國(guó)微生物菌種查詢網(wǎng) / 2016-12-15 08:18:01
合成生物學(xué)是近年來(lái)發(fā)展迅速的新興交叉學(xué)科，它通過(guò)“自下而上”的理念，由“元件”到“模塊”再到“系統(tǒng)”來(lái)設(shè)計(jì)自然界不存在的人工生物系統(tǒng)，或?qū)σ延凶匀簧锵到y(tǒng)進(jìn)行改造、重建，來(lái)滿足生物醫(yī)藥工程、工業(yè)化生產(chǎn)的需求或回答基礎(chǔ)生命科學(xué)研究的基本問(wèn)題，其最終目的是創(chuàng)造生命。近些年，科學(xué)家們研究獲得了大量新的合成生物學(xué)元件，并組裝出具有相應(yīng)功能的基因回路；但要實(shí)現(xiàn)合成生命這一遠(yuǎn)大目標(biāo)，不光需要有足夠的“元件”，同時(shí)要求科研人員對(duì)生命活動(dòng)的調(diào)控機(jī)理有著透徹的理解。設(shè)計(jì)制造一輛汽車，需要考慮車的外形和重量、發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力與車的重量是否協(xié)調(diào)等多方面因素；同樣，設(shè)計(jì)創(chuàng)造一個(gè)新的細(xì)胞，也要考慮細(xì)胞形狀和大小、細(xì)胞的DNA序列及含量、DNA序列及含量是否與細(xì)胞形狀大小相協(xié)調(diào)等多方面因素。然而，生命科學(xué)在上述問(wèn)題方面的理解深度還遠(yuǎn)不足以讓科研人員像設(shè)計(jì)生產(chǎn)汽車一樣來(lái)設(shè)計(jì)創(chuàng)造符合需求的細(xì)胞。細(xì)菌是最簡(jiǎn)單的單細(xì)胞生命，深入了解細(xì)菌生命活動(dòng)的調(diào)控機(jī)理對(duì)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造生命這一目標(biāo)有著積極的意義。
不同物種細(xì)胞的基因組序列各不相同，其細(xì)胞形態(tài)與大小也各異；即使基因組序列完全一致的細(xì)胞，其細(xì)胞形態(tài)與大小也并非一成不變。以大腸桿菌細(xì)胞為例，不同的培養(yǎng)條件下，其細(xì)胞大小的差異可以高達(dá)10倍；細(xì)胞越大，DNA就越多。那么細(xì)菌是如何協(xié)調(diào)細(xì)胞個(gè)體大小和細(xì)胞內(nèi)DNA復(fù)制這兩個(gè)事件的呢？這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)困擾科學(xué)家們60多年。細(xì)胞內(nèi)不同代謝反應(yīng)相互交織形成了一個(gè)極其復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，生長(zhǎng)速率對(duì)這一調(diào)控網(wǎng)絡(luò)有著重要的影響，生長(zhǎng)速率的改變通常改變細(xì)胞的生理狀態(tài)，使問(wèn)題的分析變得復(fù)雜。如果能在維持細(xì)胞正常生理狀態(tài)的前提下對(duì)細(xì)胞的形態(tài)大小進(jìn)行調(diào)整將能更好地回答上述問(wèn)題。
劉陳立團(tuán)隊(duì)將合成基因回路引入細(xì)胞中，解耦天然調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，在正常生理?xiàng)l件下，通過(guò)改變目標(biāo)基因的表達(dá)水平精確定量控制細(xì)胞的直徑或長(zhǎng)度。在此基礎(chǔ)上，他們對(duì)細(xì)菌細(xì)胞是如何協(xié)調(diào)細(xì)胞大小與細(xì)胞內(nèi)DNA復(fù)制這一問(wèn)題進(jìn)行了探索。研究結(jié)果提示：細(xì)胞通過(guò)控制DNA復(fù)制的起始來(lái)協(xié)調(diào)細(xì)胞個(gè)體的大小，二者之間的關(guān)系可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式來(lái)描述。這一公式具有廣泛的適用性，既可以描述不同生長(zhǎng)速率條件下的細(xì)胞大小，也適用于描述細(xì)胞直徑或長(zhǎng)度的擾動(dòng)后細(xì)胞大小發(fā)生的改變?；谠摱?，結(jié)合定量調(diào)控特定蛋白表達(dá)水平的基因回路，人們可以根據(jù)實(shí)際需求輕松設(shè)計(jì)并建造出特定長(zhǎng)寬的細(xì)菌細(xì)胞。
該研究展現(xiàn)了合成生物學(xué)研究手段在回答生命科學(xué)基礎(chǔ)問(wèn)題中的應(yīng)用。誠(chéng)然，到目前為止，細(xì)菌細(xì)胞是如何協(xié)調(diào)細(xì)胞大小與細(xì)胞內(nèi)DNA復(fù)制的分子機(jī)制還是一個(gè)謎，未來(lái)的研究將著重在這個(gè)方向上進(jìn)行更深入的探索。通過(guò)該類合成生物學(xué)研究，科研人員將能夠逐步揭示細(xì)胞運(yùn)作的基本原理，最終達(dá)到理性設(shè)計(jì)人造生命的目標(biāo)。
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