随机基因脉冲产生生活模式

致力于生物学与计算交叉的剑桥科学家团队发现，随机基因活性有助于在模型多细胞系统开发过程中形成模式。

我们所有人都从一个细胞开始生活，该细胞繁殖并发展成具有不同功能的专门细胞。这个复杂的过程一直依赖于精确的控制，但是这些新发现表明随机过程也有助于模式化。

在《自然通讯》今天发表的研究中，剑桥大学Sainsbury实验室的James Locke团队的科学家和Microsoft Research的合作者描述了他们在研究细菌生物膜时发现了令人惊讶的随机顺序。

当自由生活的单细胞细菌附着到表面并聚集在一起以开始在表面上繁殖和扩散时，就会形成生物膜。这些繁殖的单个细胞成熟，形成了像多细胞生物一样起作用的三维结构。

尽管单个细胞可以自行生存，但这些细菌更喜欢与生物膜一起工作，而生物膜是自然界中的主要形式。生物膜联盟为细菌提供了各种生存优势，例如增加了对环境压力的抵抗力。

研究人员开发了一种新的延时显微镜技术，以追踪在遗传上相同的单个细胞在生物膜形成过程中的行为。

联合主要作者尤金·纳德兹丁博士说：“我们研究了细胞如何决定在生物膜中起特定作用。我们发现，在生物膜表面上经常存在两种不同的细胞类型-形成休眠孢子的细胞以及保持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，但它们都可以存在于同一位置。”

他们专注于获得有关单个细胞类型的基因表达(无论基因是活跃的还是失活的)如何随时间变化的详细图片，特别是调控因子sigmaB的表达，该因子促进应激反应并抑制孢子形成。他们发现，sigmaB每隔一小时就随机地在细胞内开关，在整个生物膜上产生可见的孢子形成和受压力保护的细胞模式。

为了理解脉冲的含义，研究人员生成了sigmaB控制的应力响应和孢子形成系统的数学模型。

共同主要作者Niall Murphy博士说：“该模型显示随机脉冲意味着在任何时候只有一小部分细胞具有较高的sigmaB活性和应力途径的激活作用，从而使其余细胞可以选择虽然脉冲是随机的，但我们能够通过一个简单的数学模型证明，基因表达的增加会在生物膜的不同区域之间产生转移模式。”

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中发挥关键作用。

洛克博士说：“这种随机性似乎可以控制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于帮助设计合成基因电路，以在多细胞系统中产生模式。与需要单独控制每个单元的命运的电路相比，噪声可用于在相邻单元之间随机分配替代任务。”

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