在自然界中，细胞组成重复的图案和结构往往是被精确控制的，而这种排列使生物长成不同的特定形状。例如，人类每只手只长五只手指，牛有两只，而马则只有一只。可是，这些结构是如何形成、原理是什么，对人类而言一直是一个迷。一个由香港大学、香港浸会大学、美国加州大学圣地亚哥分校以及德国马尔堡大学的研究人员所组成的研究团队，运用合成生物学和定量模型手段，设计并制造了一个合成基因系统，并找出其科学原理。该研究的发现，有助了解生物图案的形成。这项研究刚刊登于最新一期国际权威学术期刊 ─《科学》（Science）之中。
研究团队表示，这项研究探究了到底细胞是如何通过自身的运动和成长而形成美丽有序的图案，这是生物学上一个根本的问题。
研究内容
细胞在时间空间上的有序排列及分布是形成生物结构非常关键的一步，这项研究致力于探究这个生物学上根本的问题。
具体来说，研究人员运用合成生物学和定量模型的手段，设计制造了一个由两个模块所组成的合成基因系统。通过这个基因系统，他们能够控制大肠杆菌的运动模式，使其构成一个重复图案。他们还透过使用数学模型来分析这个系统形成重复图案的原理。而且，他们根据模型提出的方法，成功实现了条纹数量的调控。
研究人员设计改造的大肠杆菌能够从一个中心开始长成空间上有序排布的周期性条纹状图纹。此外，研究人员还成功控制了条纹产生的数量。这为解释生物发育过程中定量控制结构的形成，提供了一种崭新的思维及理解。
研究结果及其意义
生物如何从一个细胞发育生长成为一个成熟的生物体是一个非常复杂却有序的过程。这过程涉及到细胞分化形成不同类型的细胞，以及细胞在空间上的相互协调而形成有序的排列。对于前者来说，近年来的研究在基因编码干细胞等领域已经取得了很大的进展。然而，由于生物系统复杂，人们对后者的认知相对上比较少。
这项研究通过改造细胞成功制作了一个在时空有序的周期性图案。而且这图案是可预测和可调改的。这研究结果提醒我们，在自然界中，重复的图案和结构往往是被精确控制的。例如，人类每只手只长五只手指，牛有两只，而马则只有一只；人类的脊椎有33块脊椎骨，而蛇的脊椎则可多达300块脊椎骨。在大自然中这些数量严格控制的周期性结构非常普遍，但是形成这些结构的原理却还是一个迷。所以要通过基因工程去产生重复结构并控制它们的数量是一件十分困难的事。这项研究能够简易地改变细菌长成的条纹数量，为人们解释动物身体数量特征的形成机制，及如何控制其生长提供了新的思路。
本研究是一项结合系统生物学(systems biology)， 定量生物学（quantitative molecular biology），合成生物学（synthetic biology） 和物理学（physics） 的跨学科研究。这项研究成果不但对于形成周期性图纹以及图纹数量的调控的机制解释做出了贡献，而且也显示了合成和定量生物学在探索生物学基本原理中的作用。（生物谷 Bioon.com）
doi:10.1126/science.1209042
PMC:
PMID:
Sequential Establishment of Stripe Patterns in an Expanding Cell Population
Liu, Chenli; Fu, Xiongfei; Liu, Lizhong; Ren, Xiaojing; Chau, Carlos K.L.; Li, Sihong; Xiang, Lu; Zeng, Hualing; Chen, Guanhua; Tang, Lei-Han; Lenz, Peter; Cui, Xiaodong; Huang, Wei; Hwa, Terence; Huang, Jian-Dong
Periodic stripe patterns are ubiquitous in living organisms, yet the underlying developmental processes are complex and difficultto disentangle. We describe a synthetic genetic circuit that couples cell density and motility. This system enabled programmedEscherichia coli cells to form periodic stripes of high and low cell densities sequentially and autonomously. Theoretical and experimentalanalyses reveal that the spatial structure arises from a recurrent aggregation process at the front of the continuously expandingcell population. The number of stripes formed could be tuned by modulating the basal expression of a single gene. The resultsestablish motility control as a simple route to establishing recurrent structures without requiring an extrinsic pacemaker.
