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亚洲城靠谱吗 - 深圳科学家发现合成生物建构定量公式

时间:2020-01-10 16:06:07


[摘要] 11月7日,nature杂志上公布由我国科学家团队领衔发现这样一个定量公式。对此,中国科学院合成生物学重点实验室赵国屏院士就评价说,此类工作的成功需要在大量和长期的重复性精确测定获得的数据基础上,才可能给出定量分析和理论模型预测。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工具。

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亚洲城靠谱吗,刘陈立团队在实验室进行实验操作。

文、图/广州日报全媒体记者王纳 通讯员严偲偲

当我们说起莱特兄弟造出人类第一架飞机,肯定要先说起流体动力学的伯努利方程;当我们说起曼哈顿工程,也绝对绕不开爱因斯坦的质能方程;正是科学家们用天才的脑袋发现了这些规则、公式,指引着人类科学的发展。

同样,在新兴的合成生物学领域,科学家们也正在努力寻找着这样一种能揭示生命系统建造基本规律的方程式。11月7日,nature杂志上公布由我国科学家团队领衔发现这样一个定量公式。

一个受精卵分裂出的40万亿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?同一片森林里的上百种生物是如何抢占生存空间,以构成复杂而稳定的生态系统的?

如今,这一生命发展的本质规律,用一个公式就能“算”出来——中国科学院深圳先进技术研究院、深圳合成生物学创新研究院刘陈立实验室,与加州大学圣地亚哥分校华泰立教授团队合作,2019年11月7日在nature杂志发表研究论文,得到一个揭示生物迁徙进化策略的定量公式,为合成生物学及生态学提供了全新的理论指导。

细菌“抢地盘”不光靠跑得快

非洲动物大迁徙是自然界一大奇观,每年数以百万的动物分为前中后“三军”向北进发。

将上述大场面搬进实验室,把动物替换成细菌放进培养皿,便成了刘陈立团队研究的对象——细菌迁徙。“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,运动速度越快越好,不同细菌单独跑的情况下也确实如此;然而,不同细菌同时跑的时候,情况出人意料。”刘陈立说。

在探究细菌迁徙的前期实验中,团队设计了4种培养环境,在每种环境中反复“演绎”细菌迁徙过程,各重复50个循环后发现:菌群的迁移速率呈发散状变化,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’,速度变慢则意味着被淘汰,此前领域内的研究也都未注意到运动速度慢也有优势。”刘陈立表示,“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,还有其他因素决定着最终的‘版图’分布。”

定量公式“算”出最优策略

为找出菌群“攻城略地”的关键因素和共性规律,团队在后期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”,结果显示,一个非常特别的分水岭出现了。

团队继续将“细菌大战”的实验扩展到三个菌群,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。经过5组进化菌群和人工改造菌群的反复竞争实验证明,这一现象具有普遍性。

“系列实验现象表明,运动速度慢的菌群,在靠近出发点的空间范围内滞留的细菌更多,通过细菌数量同样可以占据优势空间。”刘陈立总结说。

找到细菌迁徙进化的普遍规律后,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。根据该公式,在已知空间大小的条件下,便能算出迁徙进化的最优策略。

让定量公式实现生物工程化

为了做这个实验,研究团队付出了不为人知的努力。刘陈立告诉记者,做这一项研究最大的难题就是要进行大量的、枯燥的重复性实验。研究人员每天要处理100多块实验平板,一个实验周期就是2个月,其中不能有停歇。

对此,中国科学院合成生物学重点实验室赵国屏院士就评价说,此类工作的成功需要在大量和长期的重复性精确测定获得的数据基础上,才可能给出定量分析和理论模型预测。希望这篇nature长文的诞生,能够启发我国从事生命科学基础研究的研究者们。“只要我们在这样一条艰难而正确的道路上坚持下去,我们的前途就一定是光明的。”

在深圳先进技术研究院的办公室里,刘陈立接受记者采访时认为,这个研究成果主要由三方面的意义。

首先是揭示了生命系统建造的基本规律。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工具。作为基础研究领域的重大突破,此次从细菌上学习到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。未来,在该公式的指导下,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,有望实现生物组织和器官的工程化合成。

其次,从进化论方面而言,这一成果也解释了同一环境下物种的多样性的问题。

再次,还可以带来一些商业上的启示。比如根据这个定量公式,可以算出一个企业产业扩张的最优速率是多少。

“万有引力、热力学定律……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,得到定量公式后就可真正实现生物的工程化,最终达到造物致知,造物致用。”刘陈立如此总结道。为合成生物学找到自己的“伯努利方程”,是刘陈立和他的小伙伴们的努力方向。而这个定量方程能不能成为一条law(定理),还需要学界的认可。

名词解释:

合成生物学(又称工程生物学)采用工程化的设计理念,通过对生物体进行设计、改造和合成,创建人工生命体系。

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