合成生物学研究生物图案的形成原理(2)

　　而这些分子则被称为形态发生素。 它们的空间分布为生物结构发育形成一个预图案。 这种通过形态发生素而产生预图案的图案形成模型与简单的预图案模型的不同之处在于它需要化学反应的参与[27].虽然反应-扩散模型已被认为是生物图案形成的标准数学模型[27], 但是在实验生物学领域， 这种模型并没有被广泛接受。 因此， Fitzhugh[30]和 Nagumo 等人[31]提出了一种重要的图灵模型的衍生形式。 这个模型将数学语言转换成了生物学家使用的语言。 就如同神经元一样， 这个模型建立在一种可激发的活化剂-抑制剂体系之上。 在此二元体系中， 两种成分的产出被其中一种化学物质激活， 另一种成分则用来抑制该系统的发展。 在适当的参数和一定条件下，该模型可以产生滑动波、旋转螺旋、环波、条纹波、静止的局部脉冲等。 在这个模型的基础上， 为了获得一个稳定的空间图案， Meinhardt和Gierer[32]提出了一种基于侧抑制原理的图灵模型。 这些图案的形成仅需要一个短程的正反馈和一个长程负反馈， 分别代表抑制剂的快速扩散和活化剂的缓慢扩散。 这些改进使图灵模型的基本原则能被更容易地应用到复杂的系统中去。 许多系统被证明可满足该条件， 并且能够形成图灵图案， 如趋化性细胞迁移[33]、神经元的相互作用[34]、机械化学活性[35]等。 然而， 在一个真实的生 物系统 中直 接验证图灵 模型是十分 困难的 .

　　Meinhardt 和 Gierer[32]在他们的模型中提出， 活化剂的扩散系数要比抑制剂小得多。 但是， 由于很难识别生物系统中的活化剂/抑制剂， 人们缺乏直接的证据来验证两种分子间的扩散系数的差异。 直到最近， 在对斑马鱼胚胎形成过程中由 Nodal 和 Lefty 构成的活化剂/抑制剂系统的研究中， 科学家成功地利用光漂白后荧光恢复的方法， 测得融合了绿色荧光蛋白的Nodal 和 Lefty 的扩散性[36]. 这些研究成果及将来的相关实验将对验证图灵模型起到很大的帮助。

　　1.4 密度依赖性运动能力模型

　　物理学家提出， 当一个颗粒或细胞的运动能力依赖于其密度时， 周期性的图案也可以形成。 Cates等人[37]对这种系统进行了研究。 在这个系统中， 细胞的运动力取决于局部的细胞密度。 通过稳定性分析， 他们发现该系统可以通过细胞密度平衡点上下的小范围波动形成稳定的图案。 然而， 为了使得高频失稳收敛， 他们引入了密度的四阶项[31]. 在另一个与实验相关性更高的密度依赖性运动能力模型中， 人们引入了一个密度信号场[38,39]. 传统的周期性图案往往是通过失稳性在平衡点附近放大而产生周期结构。 然而， 人们发现在这种密度依赖性运动能力模型中， 当密度场前沿在传播过程中达到运动能力阈值时， 就可以形成周期性的图案。 这种机制与典型的反应扩散模型不同， 并且已经在一个合成生物系统中得到了验证。 该模型也可被应用到具有两个可扩散化学物质的系统中， 在这个系统中， 其中一种化学物质的扩散性取决于另一种化学物质的局部浓度。

　　1.5 时钟和波前沿模型

　　科学家们提出时钟和波前沿模型是为了用来解释体节的形成。 这个模型由两部分组成： 一个在两种状态振荡的“时钟”和一个单向波[40]. 一般情况下， 所有的细胞在两种状态之间同步振荡。 一旦到达波的前沿， 振荡即停止在某个阶段。 当波扫过发育区域时，便形成了交替状态的周期性图案。

　　2 合成生物学

　　合成生物学是一个崭新且快速发展的领域， 但它似乎仍然没有一个被广泛接受的定义。 有些人定义合成生物学为“对新的生物零件、设备和系统进行设计和构建， 以及对现有的自然生物系统进行重新设 计 改 造 以 达 到 有 用 的 目 的 ”. 一般而言， 这些新的功能是通过引入被称为“遗传线路”的新遗传网络来实现的。 在过去的10 年中， 合成生物学一直被用来开发新的功能[41,42],如群体控制[6]、细胞计数[43]、“光子打印机”[4]、边缘检测器[3]等。 合成生物学的另一重要方面是通过工程建造的方法[8,9]来了解生命。 科学家应用合成生物学手段，对包括生物振荡器[2,7]、细菌的双组分系统[44]、条带检测[5]、生物膜形成[45]、生态系统重构[46]和抗生素抗性[47]等在内的各种生物现象进行了研究。

　　2.1 用合成生物学的方法研究图案形成

　　Basu 等人[5]通过将 luxRI系统中的不同组分分别放入发送者细胞（表达 luxI 并合成 N-酰基高丝氨酸内酯（N-acyl-homoserine lactones, AHL））和接收者细胞（表达 luxR, 对 AHL 梯度响应）， 以此制作出了一种“条带”过滤器。 他们设计了一个巧妙的遗传线路， 使接收者细胞对不同浓度的 AHL 做出不同的响应， 从而让细胞在固体琼脂板上产生公牛眼图案。 实验时，他们首先把包含一系列的遗传元件（如 luxR, l抑制子CI 和 lacI）的接收者细胞混合在琼脂里。 随着发送者细胞产生的 AHL 不断地生成和降解， 其在固体琼脂上会形成浓度梯度。 而接收者细胞只在一个狭窄的AHL 浓度区间内表达绿色荧光蛋白。 他们利用了 3个对 AHL 敏感度各异的 LuxR 突变体作为接收者细胞， 使它们可以各自在琼脂板上形成不同的生物图案。 通过这些巧妙设计的人工遗传线路， Basu 的研究团队直接证明了形态发生素梯度的图案形成机理。

　　更新一个成果来自 Danino 的研究团队， 他们利用 luxRI 系统同步大肠杆菌（Escherichia coli）菌群生长， 构建了一个基因振荡器[2]. 与以往的合成振动系统相比， 他们的设计虽然很简单， 但却产生了美妙的时间周期图案。 他们利用luxI启动子来分别控制luxI,yemGFP 和 aiiA（AHL 降解酶）的表达。 在这个系统中，LuxR-AHL 复合物诱导 aiiA 的表达， 从而反过来实现了对luxI表达的负调控。 借助微流体器件和荧光显微镜， 振荡被记录了下来。 不仅如此， 振荡器的周期和幅度还可以通过在微流体条件下控制流速来调节。

　　除了 Danino 的研究外， Liu 等人[39]也构建了工程细菌来探索一种新的周期图案形成的机理。 首先他们构建了由生长、运动能力和细胞间信号传导组成的图案形成的模型系统。 然后又设计了一个简单的调控机制， 这种机制可以通过引入外源菌群传感系统来对大肠杆菌细胞的趋化线路进行控制， 使细胞运动在高菌群密度条件下受到抑制。 这种相互作用模拟了密度依赖的运动效应。 出乎人们意料的是， 在将工程菌株接种到半固体琼脂平板上后， 菌群形成了以200 min 为间隔的周期性条纹图案。

　　2.2 通过合成生物学进行图案形成原理的探索

　　在 Liu 等人的研究中， 他们利用人工遗传线路系统衡量了每个关键的变量并对条纹形成的具体动力学过程进行了定量研究。 根据这些研究， 他们提出了一个新的密度依赖性运动能力模型。 不同于其他反应扩散系统的是， 该密度依赖性运动系统在密度波前沿达到阈值时可以形成周期性条纹（图 3B）。 此外，根据该模型预测， 该系统存在从条纹到非条纹的相变， 在两种状态之间可以形成有限数量的条纹。 在实验中， 他们通过改变单个基因的表达水平成功调控了条纹的数目， 以此验证了模型的预测。 这项研究使人们认识了对连续条纹形成的一种新原理。 这一原理不仅会对人工合成的细菌图案造成影响， 在后生动物发育过程中相似的条纹形成过程也很有借鉴意义。

　　3 展望

　　如果想要用传统的自上而下的方法来研究生物图案形成无异于在复杂的细胞组分和多层调控网络的迷宫中找到一条出路。 在大多数情况下， 这都是非常困难的。 虽然在体外用自下而上的方法可以重新构建某些生物系统的一些关键成分， 但终究人造的痕迹太过明显并且同样需要有详细的分子机制。 一个更激进的想法是忽略自然机制， 利用合成生物学来“创造”新的生物图案形成系统。 在这些人工图案系统的建造过程中， 可以学到一些以前未知的图案形成的原理。 鉴于自然图案的多样性， 存在与人工系统相类似的自然系统也就不足为奇。 研究人员可以利用这些从人工系统中认识到的原理来重新审视自然系统的规律。 另一方面， 合成生物学的目标之一是要建立新的生物系统。 现在认识了许多生物系统的元件以及它们之间的一些相互作用机理， 但是如何将它们构建成有功能的生物系统或有序的生物结构-如血管、皮肤、甚至心脏？-是对组织工程是一大挑战。 一种方法是 3D 打印： 直接将“组织”构建成其最终形状和尺寸。 另一种方式是编程发育： 从细胞簇开始， 让细胞自主生长发育成所需的形态。 后一种方法可能是更加接近自然过程并且更加持久。 未来， 这两种方法可以被组合使用来构建生物结构， 并帮助研究人员理解这些结构形成的基本原理。