剑桥实验室随机基因脉冲产生的生命模式

越来越多的生物膜间隔拍摄

延时60小时显示生物膜的生长和模式的发展。资料来源:剑桥大学

剑桥大学一个致力于生物学和计算交叉领域的科学家团队发现,随机基因活动有助于多细胞系统模型发展过程中的模式形成。yabo124

我们的生命都是从一个单细胞开始的,它不断增殖并发展成为具有不同功能的特殊细胞。这个复杂的过程依赖于沿途的精确控制,但这些新发现表明随机过程也有助于形成模式。

在今天(2020年2月19日)发表的一项研究中自然通讯来自剑桥大学塞恩斯伯里实验室詹姆斯·洛克团队的科学家和微软研究院的合作者描述了他们在研究细菌生物膜时发现的令人惊讶的随机顺序。

当自由生活的单细胞细菌附着在表面并聚集在一起开始在表面增殖和扩散时,生物膜就形成了。这些不断繁殖的单个细胞成熟后形成一个像多细胞生物一样的三维结构。

虽然单个细胞可以独立生存,但这些细菌更喜欢与生物膜一起工作,生物膜是自然界中发现的主要形式。生物膜联盟为细菌提供了各种生存优势,如增强了对环境压力的抵抗力。

活生物膜间隔12小时

每隔12小时拍摄的活生物膜照片显示sigmaB在24小时后表达的噪声梯度模式的发展。资料来源:剑桥大学

研究人员开发了一种新的延时显微镜技术来追踪基因相同的单细胞在生物膜发育过程中的表现。

该研究的主要作者尤金·纳德日丁博士说:“我们研究了细胞如何决定在生物膜中扮演特定的角色。我们发现在生物膜的表面有两种不同类型的细胞经常出现——形成休眠孢子的细胞和持续生长并激活保护性应激反应的细胞。这两种细胞类型是互斥的,但它们都可能存在于同一位置。”

他们专注于获取基因表达(无论基因是活跃的还是不活跃的)如何随时间变化的个体细胞类型的详细图片,特别是一种被称为sigmaB的调节因子的表达,它促进应激反应和抑制孢子形成。他们发现sigmaB在细胞中每隔一小时随机脉冲开关一次,在生物膜上产生可见的产孢和压力保护细胞模式。

为了理解脉冲的含义,研究人员生成了一个sigmab控制的应力响应和产孢系统的数学模型。

时间间隔跟踪细胞SigmaB脉冲

对细胞进行超过50小时的延时跟踪显示,生物膜顶部有持续的随机SigmaB脉冲。资料来源:剑桥大学

联合首席作者Niall Murphy博士说:“模型显示,随机脉冲意味着在任何一个时间点,只有一小部分细胞将具有高sigmaB活性和应激通路的激活,允许其余的细胞选择发展孢子。”虽然脉冲是随机的,但我们能够通过一个简单的数学模型表明,增加基因表达会在生物膜的不同区域之间产生变化模式。”

结果表明,在生物膜发育过程中,基因表达的随机脉冲可以在建立空间结构中发挥关键作用。

洛克博士说:“这种随机性似乎控制了群体中细胞状态的分布——在这种情况下是生物膜。从这项工作中获得的见解可以用来帮助设计合成基因电路来生成多细胞系统的模式。与其让电路单独控制每个细胞的命运,噪声可以用来在相邻细胞之间随机分配可选任务。”

参考文献:基因表达的随机脉冲使空间模式的产生枯草芽孢杆菌《生物膜》作者:Eugene Nadezhdin, Niall Murphy, Neil Dalchau, Andrew Phillips和James c.w. Locke, 2020年2月19日,自然通讯
DOI: 10.1038 / s41467 - 020 - 14431 - 9

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