剑桥实验室中随机基因脉冲产生的生命模式

延时60小时显示生物膜不断增长和模式开发。

在生物学和计算之间的交叉路口工作的剑桥科学家团队发现，随机基因活动有助于在模型多细胞系统的开发期间形成模式。

我们全部启动作为单个单元格，其乘以并发展成具有不同功能的专用细胞。这种复杂的过程沿途依赖于精确的控制，但这些新发现建议随机过程也有助于图案化。

在今天（2月19日）发表的研究中，在自然通信中，詹姆斯洛克的科学家们在Sainsbury实验室剑桥大学和微软研究中的合作者中描述了他们在学习细菌生物膜的同时在随机性中发现了令人惊讶的顺序。

生物膜在自由活的单细胞细菌附着在表面并聚集在一起以开始乘以和散布在表面上。这些乘以迁移细胞成熟以形成一种用作多细胞生物的三维结构。

虽然inpidual细胞可以自身生存，但这些细菌更倾向于与生物膜一起工作，这是本质上发现的主要形式。生物膜联盟提供细菌，具有各种生存优势，如对环境应力的抗性增加。

以12小时间隔采取的活生物膜的照片显示24小时内Sigmab表达中嘈杂渐变模式的开发。

研究人员开发了一种新的延时显微镜技术，以跟踪基因上相同的单细胞如何表达作为生物膜的发展。

联合领导作者尤金·纳德扎丁博士说：“我们看着细胞如何决定在生物膜中采取特定的角色。我们发现，朝向生物膜的表面存在两种不同的细胞类型经常存在 - 形成休眠孢子的细胞和那些继续生长和激活保护应激反应的细胞。这两个细胞类型是互斥的，但它们都可能存在于同一位置。“

他们专注于获得基因表达（基因是活性或无活性的）的详细图，对于疾病细胞类型，特别是在调节因子的表达，称为Sigmab的表达，这促进了应力反应并抑制孢子形成。他们发现，Sigmab在每小时间隔随机脉冲，在每小时间隔地脉冲，在生物膜上产生可见的孢子和应激保护的细胞。

为了了解脉冲的含义，研究人员产生了Sigmab控制应力响应和孢子系统的数学模型。

延时跟踪单元50小时内显示出生物膜顶部的持续随机Sigmab脉冲。

Niall Murphy博士联合领导者说：“模型显示，随机脉冲意味着在任何时候只有一部分细胞将具有高Sigmab活性和应力途径的激活，从而允许其余的细胞选择开发孢子。虽然脉冲是随机的，但我们能够通过简单的数学模型来展示，增加基因的表达在生物膜的不同区域之间产生换档模式。“

结果表明，基因表达的随机脉冲如何在生物膜发育过程中建立空间结构方面发挥关键作用。

洛克博士说：“这种随机性似乎可以控制人群中细胞状态的分布 - 在这种情况下是生物膜。从该工作中获得的见解可用于帮助工程师合成基因电路用于在多蜂窝系统中产生模式。而不是需要机制的电路依然控制每个细胞的命运，噪声可用于随机分布相邻小区之间的替代任务。“

参考：“基因表达的随机脉冲能够通过Eugene Nadezhdin，Niall Murphy，Neil Dalchau，Andrew Phillips和James C. W. Locke，192020年2月19日，Nature Communications.Doi：
10.1038 / S41467-020-14431-9