Nature,Science新研究聚焦细菌

【字体: 时间:2010年01月26日 来源:生物通

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  细菌是指一大类细胞核无核膜包裹,只存在称作拟核区(或拟核)的裸露DNA的原始单细胞生物,包括真细菌(eubacteria)和古生菌(archaea)两大类群。这种生物是自然界分布最广、个体数量最多的有机体,人类身体就是无数细菌的居所。近期两个不同的研究团队获得了这方面的重要研究进展,分别发表在Nature和Science杂志上。

  

生物通报道:细菌是指一大类细胞核无核膜包裹,只存在称作拟核区(或拟核)的裸露DNA的原始单细胞生物,包括真细菌(eubacteria)和古生菌(archaea)两大类群。这种生物是自然界分布最广、个体数量最多的有机体,人类身体就是无数细菌的居所。近期两个不同的研究团队获得了这方面的重要研究进展,分别发表在Nature和Science杂志上。

第一篇文章中,来自日本北海道大学,和英国牛津大学的研究人员公布了Physarum polycephalum(多头绒泡菌)的最新研究成果,他们惊讶的发现粘液霉菌将其与散在的食物源的连接方式图案几乎与东京的铁轨系统等同。这提示他们可以利用凝胶性真菌样的霉菌指引人们改进技术系统,比如获得更为坚固耐用的电脑及移动性通讯网络。这一研究成果公布在Science杂志上。

文章作者Atsushi Tero表示,有些生物以相互关联的网络形式生长,这是它们正常觅食战略的一部分,并以此方式发现和开发新食源。粘菌是一种大型、单细胞变形虫有机体,能够寻找到不规则分布的食物来源。它可以在一个迷宫里找到最短路径,或以高效的方式连接不同的食物阵列,而且不会出现故障容差,它只是很自然地做到这一切。由于粘菌一直受到无数的进化选择,其食性使它们更有效地形成交通和通信网络系统。

研究人员将燕麦片放在一个潮湿的表面上,其放置的各个点相当于东京周围的各个城市,并让多头绒泡菌从中心向外生长。他们看到该粘菌进行自我组织、向外扩散并形成一种网络,其在功效、可靠性以及成本上都堪比真实世界的东京铁路网的基础设施。

研究人员能够捕捉到这种以一种有效率的方式与其食物源相连的适应性及生物学网络所需要的核心机制,并将其结合到一个数学模型之中,抓住了这个简单的生物系统的本质可能有益于在现实世界中开发自我组织结构和有效网络。研究人员很高兴捕捉到了这种以一种有效率的方式与其食物源相连的适应性及生物学网络所需要的核心机制,并将其结合到一个数学模型之中。

由于Physarum polycephalum已经经历了无数回的进化选择,因此这种基于其摄食习性的规则可以提供人们在现实世界应用中一种最有功效及适应性网络设计的途径。

另外一篇文章由加州大学圣地亚哥分校的研究人员完成,他们通过基因工程手段,利用群体感应(quorum sensing)基因培养出一批同步的大肠杆菌细胞。这是首次成功通过合成振荡器和拨动开关实现同步化之后的又一重要发现。

目前合成生物学的基因网络研究都是利用计算机模拟来设计能在活细胞中发挥功能,但是这种基因网络都是小基因网络,在这偏文章中,研究人员尝试利用微流体和延时荧光显微镜技术,总结出了有关控制同步振荡或波传播的因子的普遍规律。

这项工作将有助于关于更复杂自然振荡的研究工作。在这一模型体系中,基因时钟产生了同步的闪光,但类似的基因开关则有可能触发与胰岛素分泌和生物节律等相关的事件。

(生物通:万纹)

原文摘要:

a synchronized quorum of genetic clocks

The engineering of genetic circuits with predictive functionality in living cells represents a defining focus of the expanding field of synthetic biology. This focus was elegantly set in motion a decade ago with the design and construction of a genetic toggle switch and an oscillator, with subsequent highlights that have included circuits capable of pattern generation, noise shaping, edge detection and event counting. Here we describe an engineered gene network with global intercellular coupling that is capable of generating synchronized oscillations in a growing population of cells. Using microfluidic devices tailored for cellular populations at differing length scales, we investigate the collective synchronization properties along with spatiotemporal waves occurring at millimetre scales. We use computational modelling to describe quantitatively the observed dependence of the period and amplitude of the bulk oscillations on the flow rate. The synchronized genetic clock sets the stage for the use of microbes in the creation of a macroscopic biosensor with an oscillatory output. Furthermore, it provides a specific model system for the generation of a mechanistic description of emergent coordinated behaviour at the colony level.

Rules for Biologically Inspired Adaptive Network Design

Transport networks are ubiquitous in both social and biological systems. Robust network performance involves a complex trade-off involving cost, transport efficiency, and fault tolerance. Biological networks have been honed by many cycles of evolutionary selection pressure and are likely to yield reasonable solutions to such combinatorial optimization problems. Furthermore, they develop without centralized control and may represent a readily scalable solution for growing networks in general. We show that the slime mold Physarum polycephalum forms networks with comparable efficiency, fault tolerance, and cost to those of real-world infrastructure networks—in this case, the Tokyo rail system. The core mechanisms needed for adaptive network formation can be captured in a biologically inspired mathematical model that may be useful to guide network construction in other domains.

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