合成生物學(xué)在探索生物圖案形成基本原理中的應(yīng)用與展望

周楠，夏婷穎，黃建東，

（1 中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，中國科學(xué)院深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院定量工程生物學(xué)重點實驗室，廣東 深圳518055； 2 香港大學(xué)李嘉誠醫(yī)學(xué)院，生物醫(yī)學(xué)學(xué)院，香港 999077）

合成生物學(xué)作為一門重要的前沿交叉科學(xué)，旨在以標(biāo)準(zhǔn)化、去耦合和模塊化的工程化設(shè)計理念構(gòu)建新型生物系統(tǒng)［1］。近年來，這些系統(tǒng)在醫(yī)藥、能源、環(huán)境、農(nóng)業(yè)和材料等領(lǐng)域都展現(xiàn)了潛在的應(yīng)用價值［2］。此外，合成生物學(xué)可以從自然系統(tǒng)中提取關(guān)鍵的生物學(xué)元素，進(jìn)而構(gòu)建相應(yīng)的簡化體系。根據(jù)這一理念，研究者利用基本的轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件或表達(dá)調(diào)控元件構(gòu)建了在活細(xì)胞中執(zhí)行數(shù)字和邏輯運算的合成基因回路，如扳鍵式基因開關(guān)［3］，振蕩器［4］和邏輯門［5］等，擴展了人們對生物系統(tǒng)設(shè)計與組織的認(rèn)知。正如通過合成化學(xué)，而對非天然化合物的分析，最終幫助闡明了化學(xué)鍵的本質(zhì)一樣［6］，通過研究這些明確的合成體系，可以為研究者解析復(fù)雜生物學(xué)過程背后的基本原理帶來新的契機。

自然界中形形色色的生物圖案處處可見，而形成這些生物圖案的背后是否存在某些普遍規(guī)律，長久以來一直是生物學(xué)最基本的科學(xué)問題之一［7］。在分子和細(xì)胞水平，這一問題等同于均一化的細(xì)胞群體如何經(jīng)歷分化、生長和運動等過程，獲得精確的時空分布，形成有規(guī)律的生物結(jié)構(gòu)。在果蠅［8］、斑馬魚［9-11］、嚙齒動物［12］等不同物種中，發(fā)育生物學(xué)家利用正向遺傳學(xué)和反向遺傳學(xué)的方法，揭示了大量影響生物圖案形成的基因調(diào)控通路。然而，自然調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的錯綜復(fù)雜讓進(jìn)一步梳理和歸納這些實驗結(jié)果變得十分困難。此外，部分研究者對問題進(jìn)行了抽象分析，提出了不局限于個例的理論模型［7］，可是在真實的生物系統(tǒng)中證實這些概念化模型往往缺乏有效的手段。

合成生物學(xué)的興起則為解決上述困境提供了新的方法：①根據(jù)理論模型構(gòu)建和研究簡化、可控和定量的合成生物系統(tǒng)，可以驗證已有的生物圖案形成理論；②合成生物學(xué)家在自由探索過程中構(gòu)建與研究新型的合成系統(tǒng)，可以揭示自然界中未知的潛在生物圖案形成原理。

1 生物圖案形成的理論模型

1.1 成形素（morphogen）濃度梯度模型

成形素濃度梯度模型，又被稱為法國國旗模型（French flag model），描述了成形素濃度梯度介導(dǎo)的生物圖案形成過程，最早于1969年由英國發(fā)育生物學(xué)家Wolpert 提出［13］。在該模型中，成形素通常被認(rèn)為是一類長距離信號分子，連續(xù)分布的成形素濃度梯度將形成不同的濃度閾值，將組織劃分為多個區(qū)域，不同區(qū)域內(nèi)成形素的局部濃度進(jìn)而決定了細(xì)胞的狀態(tài)［圖1（a）］。直到20世紀(jì)后期，成形素仍只是一個抽象的概念。分子生物學(xué)的發(fā)展使得一些體內(nèi)的成形素得以被鑒定，例如控制果蠅胚胎前端結(jié)構(gòu)生成的轉(zhuǎn)錄因子Bicoid［14-15］，以及一些胞外配體，如TGF-β［16］、Hedgehog［17］和Wingless［18］等。

如何建立成形素濃度梯度以及建立的濃度梯度如何轉(zhuǎn)化為對細(xì)胞狀態(tài)的差異調(diào)控是研究該理論的焦點。實驗觀察表明“合成-擴散-清除”是成形素濃度梯度建立的主要模式［19］。成形素首先在局部產(chǎn)生，隨后通過擴散到達(dá)遠(yuǎn)端區(qū)域。體內(nèi)降解和細(xì)胞內(nèi)吞作用進(jìn)一步加速了濃度梯度的衰減。一般而言，成形素濃度梯度并不與細(xì)胞狀態(tài)存在簡單的線性對應(yīng)關(guān)系。成形素濃度梯度的建立，將會啟動級聯(lián)的細(xì)胞間信號傳導(dǎo)，進(jìn)而產(chǎn)生多個非線性下游信號梯度。這通常通過成形素濃度梯度的動態(tài)改變［20］、成形素與組織細(xì)胞間的反饋調(diào)節(jié)［21］以及下游轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)的相互作用來實現(xiàn)［22］［圖1（a）］。這些過程是如何通過精確協(xié)調(diào)來控制生物圖案的形成仍是研究的難點［23］。

1.2 反應(yīng)-擴散模型

生物圖案形成的一個關(guān)鍵特征是其自組織性（self-organization），即生物系統(tǒng)通常不需要任何預(yù)先存在的位置信息指引，可以自發(fā)形成圖案［24-25］。由于成形素濃度梯度模型需要預(yù)先設(shè)立成形素空間分布，因此不能很好地解釋生物圖案的自組織演化過程。

1952年，計算機科學(xué)之父Turing創(chuàng)造性地提出了反應(yīng)-擴散模型用來解釋自然界中自發(fā)產(chǎn)生的生物圖案［26］。該模型引入了兩種成形素，分別稱之為激活劑（activator）和抑制劑（inhibitor），并彼此間發(fā)生相互作用：激活劑可以激活自身和抑制劑的合成，而抑制劑反過來抑制激活劑的合成。當(dāng)這兩種成形素在空間中以不同速率自由擴散時，會引起擴散誘導(dǎo)的不穩(wěn)定性，放大均勻穩(wěn)定狀態(tài)下微小的擾動。對反應(yīng)-擴散模型進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果顯示這樣的反應(yīng)體系可以自發(fā)產(chǎn)生類似于自然界中的斑點、條紋等圖案，這類圖案被后人稱為圖靈斑圖［圖1（b）］。

反應(yīng)-擴散模型的提出為生物圖案形成帶來了一些重要的啟示。首先，擴散通常被認(rèn)為是穩(wěn)定系統(tǒng)的因素，實際上可能會引起系統(tǒng)局部的不穩(wěn)定。其次，通過引入成形素的相互作用，可以使成形素濃度在空間中產(chǎn)生具有特定波長的震蕩，從而為自然界中周期性生物圖案的產(chǎn)生提供了一種可能的機制。

盡管能夠模擬自然界中各種生物圖案，但反應(yīng)-擴散模型并未應(yīng)用于任何真正的生物學(xué)問題上。后續(xù)的研究擴展了理論模型的適用范圍，例如，Meinhardt和Gierer提出短程的正反饋結(jié)合長程的負(fù)反饋亦符合圖靈斑圖產(chǎn)生的條件［27-28］。同時，研究者也進(jìn)一步拓寬了模型中參數(shù)的定義范圍，例如，相互作用的成形素可以是細(xì)胞或個體生物等離散的實體，而不局限于分子。因此，有研究指出趨化細(xì)胞遷移［29］、神經(jīng)元的相互作用［30］、斑馬魚條紋［31］以及小鼠胚胎口腔上腭脊紋［32］等系統(tǒng)也符合反應(yīng)-擴散模型。

2 利用合成生物學(xué)驗證已有的生物圖案形成理論

2.1 成形素濃度梯度模型的合成生物學(xué)論證

為了驗證成形素濃度梯度模型，合成生物學(xué)家已經(jīng)設(shè)計了多種合成系統(tǒng)以展示如何通過基因回路將信號分子濃度梯度轉(zhuǎn)化為差異基因表達(dá)及生物圖案的形成。Basu 等［33］設(shè)計了一個基于大腸桿菌的信號“發(fā)送-接收”合成系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，充當(dāng)信號“發(fā)送者”的細(xì)菌可以表達(dá)群體感應(yīng)催化酶LuxI，催化小分子N-酰基高絲氨酸內(nèi)酯（N-acyl-homoserine lactones， AHL）的合成。AHL 可以在培養(yǎng)基中自由擴散，圍繞“發(fā)送者”菌落建立信號濃度梯度。而在信號“接收者”中，同時存在兩條響應(yīng)AHL 的基因線路調(diào)控?zé)晒鈭蟾婊騁FP 的表達(dá)。一方面，AHL 可以與受體蛋白LuxR 結(jié)合，激活CI 的表達(dá)，而CI蛋白可以阻遏下游LacI 的表達(dá)，進(jìn)而解除LacI 對GFP 表達(dá)的抑制；另一方面，AHL-LuxR 復(fù)合體還可以激活具有較低阻遏效率的LacI 變體，即LacIM 的表達(dá)，反過來抑制報告基因。這兩條基因線路構(gòu)成了不一致前饋回路（incoherent feedforward loop），使得“接收者”細(xì)菌僅在一定的AHL 濃度區(qū)間內(nèi)表達(dá)GFP：當(dāng)“接收者”處在AHL 濃度較高的區(qū)域時，LacIM 高表達(dá)，阻遏GFP 的轉(zhuǎn)錄；當(dāng)“接收者”處于AHL 濃度較低的區(qū)域，LuxR 無法啟動CI 的表達(dá)，因而LacI表達(dá)不受抑制，亦會阻遏GFP 轉(zhuǎn)錄；只有在一定的AHL 濃度范圍內(nèi)，具有一定活性的LuxR 激活CI 表達(dá)，抑制LacI 的產(chǎn)生，同 時產(chǎn)生的弱阻遏子LacIM 不足以抑制GFP 的轉(zhuǎn)錄，最終導(dǎo)致GFP的表達(dá)。研究者進(jìn)一步利用不同的LuxR 突變蛋白，構(gòu)建了幾種響應(yīng)不同AHL 濃度區(qū)間的“接收者”，將“發(fā)送者”細(xì)菌點種于含有表達(dá)不同熒光報告基因的多種“接收者”的瓊脂平板時，在“發(fā)送者”菌落周圍繼而有序形成了多熒光的靶心圖案［圖2（a）］［33］。

圖1 生物圖案形成的理論模型[23]Fig.1 Theoretical models for biological pattern formation[23]

圖2 利用合成生物學(xué)驗證現(xiàn)有生物圖案形成理論的經(jīng)典案例[33,39]Fig.2 Representative studies in the application of synthetic biology to verify existing theories for pattern formation[33,39]

除了上述響應(yīng)AHL 濃度梯度的系統(tǒng)外，研究者們還相繼構(gòu)建了響應(yīng)其他物質(zhì)濃度梯度的合成體系。Sohka 等［34］編碼了一株響應(yīng)氨芐濃度梯度的大腸桿菌，其只能在一定的氨芐濃度范圍內(nèi)生長。通過額外引入IPTG 誘導(dǎo)產(chǎn)生降解氨芐的β-內(nèi)酰胺酶，可以調(diào)控氨芐的濃度梯度，產(chǎn)生不同的細(xì)菌生長圖案。乳酸鏈球菌素（Nisin）是一種天然生物活性抗菌肽。Nisin 在高濃度下具有抗菌活性，同時能作為信號分子激活基因表達(dá)?；贜isin 的雙重功能，Kong 等［35］在乳酸乳球菌中設(shè)計了一種簡單、可控和魯棒的基因線路，用于響應(yīng)Nisin濃度梯度表達(dá)熒光報告基因，制造了環(huán)狀、條紋和點狀等不同的基因表達(dá)圖案。

為了進(jìn)一步探索成形素濃度梯度模型中基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的一般規(guī)律，而不局限于構(gòu)建能夠響應(yīng)某類分子梯度濃度而產(chǎn)生條紋的特定基因回路，Schaerli等［36］利用計算機模擬窮舉了所有可能在成形素濃度梯度下產(chǎn)生條紋的3節(jié)點基因網(wǎng)絡(luò)。大規(guī)模篩選獲得了4類不同的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，且這些網(wǎng)絡(luò)均符合不一致前饋回路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。隨后他們利用模塊化的基因元件構(gòu)建了相應(yīng)的基因回路，驗證了理論預(yù)測的結(jié)果。從理論和實驗出發(fā)，研究者進(jìn)一步推測并驗證了同時包含對條紋生成基因（研究中為GFP 基因）激活和抑制調(diào)控通路的2 節(jié)點基因線路亦可以產(chǎn)生條紋圖案。

2.2 反應(yīng)-擴散模型的合成生物學(xué)論證

盡管對反應(yīng)-擴散模型的研究拓展了該理論模型可能適用的生物系統(tǒng)，但是從發(fā)現(xiàn)一些可能遵循圖靈機制的系統(tǒng)行為，到鑒定起激活和抑制作用的特定分子、分子間的相互作用及其涉及的生物學(xué)過程并非易事。直到近兩年，合成生物學(xué)家從自然發(fā)育過程中獲得靈感，設(shè)計了符合反應(yīng)-擴散模型的合成系統(tǒng)。Sekine等［37］利用斑馬魚胚胎發(fā)育中兩個重要的受體蛋白Nodal和Lefty，構(gòu)建了首個哺乳動物細(xì)胞中的“反應(yīng)-擴散”基因回路。前期的研究發(fā)現(xiàn)Nodal是一個短程的激活劑，而Lefty是一個長距的抑制劑［38］，因此Nodal-Lefty 信號通路通常被認(rèn)為符合圖靈斑圖產(chǎn)生的條件，但缺乏實驗證明。合成生物學(xué)重構(gòu)的Nodal-Lefty基因回路可以讓細(xì)胞自發(fā)產(chǎn)生斑塊狀熒光素表達(dá)的圖靈斑圖，則為此提供了直接的實驗證據(jù)。同時，在合成體系中，研究者發(fā)現(xiàn)激活劑Nodal的短程分布依賴于蛋白的finger 1結(jié)構(gòu)域。將該結(jié)構(gòu)域與Lefty 融合表達(dá)會縮小其空間分布，并破壞圖靈斑圖的產(chǎn)生。

反應(yīng)-擴散模型及其衍生形式都對模型參數(shù)有嚴(yán)苛的定義，例如在空間中抑制劑的擴散速率需要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激活劑。這為尋找更多合適的基因元件，進(jìn)而構(gòu)建理想的合成系統(tǒng)對模型進(jìn)行驗證帶來了極大的挑戰(zhàn)。然而，Karig等［39］的近期研究表明，當(dāng)理論模型將基因表達(dá)噪聲等生物系統(tǒng)的隨機性考慮進(jìn)去后，在一個較為寬松的參數(shù)條件下亦可產(chǎn)生圖靈斑圖。這項研究利用兩種可擴散的AHL 小分子3OC12HSL 和C4HSL 構(gòu)建了符合“經(jīng)典”反應(yīng)-擴散模型的基因回路，其中3OC12HSL作為擴散速率較慢的激活劑可以激活自身以及抑制劑C4HSL 的產(chǎn)生，而C4HSL 則抑制了自身和3OC12HSL 的產(chǎn)生。當(dāng)利用dsRed熒光基因報告激活劑表達(dá)時，攜帶上述基因回路的細(xì)菌菌苔呈現(xiàn)出不規(guī)則的點狀熒光圖靈斑圖［圖2（b）］［39］。研究者分別建立了確定性模型和隨機性模型對實驗進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)只有引入系統(tǒng)隨機性的理論模型才能準(zhǔn)確預(yù)測實驗結(jié)果?？紤]到生物過程通常具有內(nèi)在的隨機性，上述研究為拓展反應(yīng)-擴散模型用于解釋自然界中更多的生物圖案提供了新的思路。

3 利用合成生物學(xué)探索新的生物圖案形成機制

3.1 成形素作為時間信號調(diào)控生物圖案形成

盡管現(xiàn)有的理論和實驗研究提出了不同的生物圖案形成機制，但這些機制都存在一個共同點，即需要在空間中建立成形素濃度的差異作為生物圖案形成的位置信號。Payne等［40］通過新型基因回路的構(gòu)建和研究，卻揭示了一種截然不同的時間機制，可以讓細(xì)菌群落自發(fā)產(chǎn)生“芯-環(huán)”狀的基因表達(dá)圖案。該基因回路采用了類似反應(yīng)-擴散模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中作為激活劑的T7 RNA聚合酶可以激活自身表達(dá)以及小分子AHL的產(chǎn)生，而AHL作為抑制劑，通過群體感應(yīng)機制誘導(dǎo)T7溶菌酶表達(dá)，T7溶菌酶能夠抑制T7 RNA聚合酶的活性。當(dāng)利用mCherry熒光蛋白報告T7溶菌酶表達(dá)的動態(tài)變化時，攜帶基因回路的細(xì)菌微菌落在菌落擴張過程中（約35 h）可以穩(wěn)定產(chǎn)生尺度約為500 μm的“芯-環(huán)”熒光圖案［圖3（a）］［40］。有趣的是，該圖形尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于成形素AHL的擴散尺度，因此圖案空間范圍內(nèi)AHL濃度幾乎一致，表明這種生物圖案的形成不依賴于AHL濃度梯度的建立。數(shù)學(xué)模型分析表明，在該系統(tǒng)中成形素AHL實際充當(dāng)了一種時間信號而非位置信號，AHL在小范圍內(nèi)的濃度積累速率與微菌落大小成反比，因此AHL濃度隨時間的動態(tài)變化與菌落尺寸關(guān)聯(lián)，提示菌落擴張到特定時刻啟動環(huán)形圖案的形成。

利用相同的基因回路，研究者還進(jìn)一步對生物圖案的尺寸調(diào)控進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了一種可以解釋發(fā)育過程中尺度恒定現(xiàn)象（scale invariance）的潛在新機制［41］。在發(fā)育生物學(xué)中，尺度恒定通常表現(xiàn)為器官大小與身體大小維持恒定的比例。通過對不同大小微菌落中“芯-環(huán)”圖案的分析，他們發(fā)現(xiàn)在一定的菌落大小范圍內(nèi)，環(huán)的寬度始終與菌落半徑保持恒定的比例［圖3（a）］［41］。結(jié)合理論與實驗分析，研究者提出了一種“聯(lián)合的空間感應(yīng)機制”。與現(xiàn)有解釋尺度恒定的理論不同，該機制不依賴于成形素濃度梯度的建立，而需要積分反饋循環(huán)和不一致前饋回路的有序調(diào)控，這些調(diào)控精確設(shè)定了環(huán)形成的時機、成熟速率和持續(xù)時間?！奥?lián)合的空間感應(yīng)機制”強調(diào)了成形素作為時間信號在生物圖案尺寸調(diào)控中的作用，為審視自然界中尺度恒定現(xiàn)象帶來了全新的視角。

3.2 合成生物學(xué)構(gòu)建周期性生物圖案

周期性是生物圖案的重要特征之一，周期性生物圖案通常由有序間隔的重復(fù)單元組成，如孔雀羽毛和斑馬條紋等。目前，科學(xué)家們已經(jīng)提出了多種理論用于解釋周期性生物圖案的形成［42］。Liu等［43］通過基因回路的構(gòu)建，將細(xì)菌密度與運動聯(lián)系起來，使大腸桿菌菌落能夠自發(fā)產(chǎn)生周期性的密度條紋圖案，并揭示了受密度制約的細(xì)胞運動是此類圖案形成的一種潛在機制。

研究中關(guān)聯(lián)細(xì)菌密度和運動的基因回路主要由密度感應(yīng)和運動控制兩個模塊組成。密度感應(yīng)模塊可以組成型表達(dá)群體感應(yīng)元件LuxR和LuxI，LuxI催化產(chǎn)生小分子AHL，AHL的局部濃度與細(xì)菌密度正相關(guān)。在運動控制模塊中，Pλ（R-O12）啟動子外源驅(qū)動大腸桿菌運動基因cheZ的表達(dá)，以維持cheZ敲除宿主菌株的運動能力，而Pλ（R-O12）阻遏蛋白CI的表達(dá)受到群體感應(yīng)啟動子PluxI的控制。在細(xì)菌處于低密度時，少量產(chǎn)生的AHL不足以結(jié)合LuxR以激活CI的表達(dá)，因此未受阻遏的Pλ（R-O12）可以表達(dá)CheZ，促進(jìn)細(xì)菌運動。而當(dāng)細(xì)菌處于高密度時，高濃度AHL激活LuxR，進(jìn)而驅(qū)動阻遏物CI的表達(dá)，阻遏cheZ轉(zhuǎn)錄，從而抑制細(xì)菌的運動。將引入了基因回路的大腸桿菌點種于半固體瓊脂平板培養(yǎng)后，細(xì)菌可以循序地產(chǎn)生細(xì)胞高低密度相間的條紋圖案［圖3（b）］［43］。理論建模顯示受密度制約的細(xì)胞運動使得細(xì)菌在菌落擴張的邊緣反復(fù)聚集，而低密度區(qū)域的細(xì)菌不斷進(jìn)入該區(qū)域進(jìn)一步放大了細(xì)胞密度的空間差異，最終導(dǎo)致周期性密度條紋的產(chǎn)生。此外，研究者通過改變cheZ的基礎(chǔ)表達(dá)水平以改變細(xì)菌的最大運動速率，可以控制條紋圖案的數(shù)量。因此，上述研究對于解釋自然界中周期性生物圖案或結(jié)構(gòu)的形成具有一定的借鑒意義。

3.3 多細(xì)胞結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生

生物在生長發(fā)育過程中會自發(fā)形成對正常功能必不可少的多細(xì)胞結(jié)構(gòu)，例如早期胚胎和細(xì)菌的生物膜等。這些結(jié)構(gòu)并非通過已經(jīng)存在的組織拼接而成，而通常由一系列有序的細(xì)胞分化和不同類型細(xì)胞的空間再組織決定。

3.3.1 合成Notch 信號通路介導(dǎo)的細(xì)胞分化和差異性黏附

多細(xì)胞結(jié)構(gòu)的形成涉及大量控制細(xì)胞間信號傳導(dǎo)的基因［13，44］，同時有證據(jù)顯示細(xì)胞間接觸介導(dǎo)的細(xì)胞遷移抑制［45］、細(xì)胞間排斥［46］和細(xì)胞差異性黏附［47］也有助于不同細(xì)胞類型在空間中的分離和聚集。Cachat 等［48］發(fā)現(xiàn)兩種表達(dá)不同鈣黏蛋白（Cadherin）的哺乳動物細(xì)胞混合時，表達(dá)相同鈣黏蛋白的細(xì)胞間更強的親和力會導(dǎo)致兩類細(xì)胞的分離。Toda等［49］進(jìn)一步利用合成Notch信號通路在哺乳細(xì)胞內(nèi)構(gòu)建了一系列通過細(xì)胞間接觸控制細(xì)胞分化（表達(dá)不同的熒光報告基因）和差異性黏附的基因回路。這些基因回路首先通過細(xì)胞間接觸誘導(dǎo)的細(xì)胞黏附產(chǎn)生分層結(jié)構(gòu)，細(xì)胞黏附則進(jìn)一步在接觸區(qū)域傳遞信號產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu)層次，而具有高親和力的同型鈣黏蛋白表達(dá)會導(dǎo)致多細(xì)胞結(jié)構(gòu)對稱性的破壞。最終，該合成體系可以編碼細(xì)胞產(chǎn)生多種從簡單到復(fù)雜、從對稱到不對稱的多層次球狀結(jié)構(gòu)［圖3（c）］［49］。這項經(jīng)典合成生物學(xué)工作能夠幫助人們理解自然界中多細(xì)胞結(jié)構(gòu)的形成原理。

圖3 利用合成生物學(xué)探索生物圖案形成新機制的經(jīng)典案例[40-41,43,49]Fig.3 Representative studies in the application of synthetic biology to explore novel mechanisms for biological pattern formation[40-41，43，49]

3.3.2 不同類型細(xì)胞間對細(xì)胞運動的雙向調(diào)控協(xié)同產(chǎn)生多細(xì)胞生物圖案

不同類型細(xì)胞間的協(xié)同行為對多細(xì)胞系統(tǒng)自發(fā)形成復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)具有重要意義［50-52］。作者團(tuán)隊近期報道了一種不同類型細(xì)胞可自發(fā)分離或共定位（co-localized），并產(chǎn)生不同條紋圖案的新機制［53］。此機制依賴于不同細(xì)胞群體間對細(xì)胞運動的雙向調(diào)控。首先通過合成生物學(xué)方法構(gòu)建了包含兩種大腸桿菌菌株的合成多細(xì)胞體系，在這一體系中一種大腸桿菌的運動狀態(tài)通過群體感應(yīng)受到另一種大腸桿菌局部細(xì)菌密度的調(diào)控。當(dāng)兩株菌的運動能力均受到對方的促進(jìn)時，在半固體瓊脂平板上點種的合成體系可以形成周期性的細(xì)菌條紋，且兩種菌在條紋上的生長呈現(xiàn)反相（out of phase）的震蕩。而當(dāng)兩株菌的運動能力均受到對方的抑制時，合成體系亦可形成周期性細(xì)菌條紋，然而此時兩種菌在條紋上的生長呈現(xiàn)同相（in phase）的震蕩。因此，通過簡單改變兩種細(xì)胞群體間的相互作用方式即可實現(xiàn)多細(xì)胞體系空間再組織行為的轉(zhuǎn)換。隨后結(jié)合理論模型證實了對細(xì)胞運動的雙向調(diào)控是一種魯棒的多細(xì)胞體系自組織機制，并驗證了符合機制的三細(xì)胞類型合成體系可以產(chǎn)生與理論預(yù)測一致的預(yù)圖案（pre-patterns），證明這種機制應(yīng)用于多細(xì)胞體系的普遍性。

4 展 望

建物致知、建物致用，是合成生物學(xué)研究的兩大愿景，體現(xiàn)了合成生物學(xué)的科學(xué)和工程內(nèi)涵［54-55］。建物致知，是在人工設(shè)計的指導(dǎo)下創(chuàng)造人造生命體系，提升對生命本質(zhì)的認(rèn)識。在合成生物學(xué)研究生物圖案形成這一嶄新的領(lǐng)域，研究者們已經(jīng)可以從現(xiàn)有的理論出發(fā)，構(gòu)建定量可控的合成體系，真正地在生物體系中驗證這些重要理論的正確性。同時，通過“自下而上”地構(gòu)建新型合成系統(tǒng)，合成生物學(xué)還可以幫助人們探索新的生物圖案形成機制。例如，研究人員［42，56］巧妙地將細(xì)胞密度與細(xì)胞運動狀態(tài)關(guān)聯(lián)起來，并證實了受密度約束的細(xì)胞運動是周期性條紋圖案形成的潛在機理，這一機制區(qū)別于現(xiàn)有的多種時鐘模型，可以啟發(fā)發(fā)育生物學(xué)家重新審視生長、運動等最基本的細(xì)胞行為在生物圖案形成過程中扮演的角色。除了為基礎(chǔ)研究提供新手段和思路，合成生物學(xué)也力求通過建物致用，實現(xiàn)人工合成體系在產(chǎn)業(yè)中的轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。這一理念已經(jīng)在醫(yī)藥、能源等領(lǐng)域取得了豐碩的成果，而近期也開始出現(xiàn)關(guān)于合成生物圖案用于生物材料制造如壓力感應(yīng)生物裝置的報道［57］。相信在不久的未來，合成生物學(xué)創(chuàng)造的人工生物圖案或結(jié)構(gòu)將在再生醫(yī)學(xué)、組織工程等更多領(lǐng)域得到應(yīng)用。