合成双稳态基因开关驱动大肠杆菌菌落多稳态空间模式的形成

本期推荐：来自合成生物学领域的研究团队通过整合定量成像与空间转录组技术，揭示了基于合成双稳态开关(bistable switch)的大肠杆菌(E. coli)在范围扩张(range expansion)过程中如何通过基因调控网络(GRN)与微环境互作产生环状(ring-like)和扇区状(sector-like)多稳态空间模式。该研究首次阐明噪声诱导的对称性破缺(noise-induced symmetry breaking)和生长依赖性命运分叉(growth-dependent fate bifurcation)的协同机制，为理解生物自组织(self-organization)提供了新范式。

　　微生物菌落发育如同精密的生物交响乐，机械力、生化信号与环境生态位共同塑造着由复杂基因调控网络(GRN)指挥的空间图案。这项研究以工程化的合成双稳态开关(bistable switch)为指挥棒，在硬琼脂培养基上诱导大肠杆菌(E. coli)菌落演绎出多稳态的空间乐章——既有规整的环状(ring-like)模式，也有放射状的扇区(sector-like)结构。通过定量成像与空间分辨转录组这对"分子显微镜"，研究者捕捉到单细胞如何通过编程化的分叉事件(bifurcation events)逐步构建环状菌落的确定性过程。更有趣的是，创始者效应(founder effect)放大了噪声诱导的对称性破缺(symmetry-break)，使得菌落边缘扩张时如同抽象画作般形成不对称图案。这些图案的"笔触"深浅竟由最初单细胞祖先的初始状态决定，揭示出均质生长环境中个体细胞蕴含的惊人自组织潜力。这项研究架起了物理生物学与合成生物学的桥梁，为理解从微生物菌落到组织发育的模式形成原理提供了新范式。