萊斯大學(xué)的合成生物學(xué)家促使細(xì)菌分化，如干細(xì)胞。

萊斯大學(xué)的科學(xué)家已經(jīng)找到了一種方法來設(shè)計一種新的細(xì)菌分化細(xì)菌，這種方法受到干細(xì)胞中天然存在的過程的啟發(fā)。他們已經(jīng)創(chuàng)造了一種遺傳循環(huán)，能夠在細(xì)菌分裂時產(chǎn)生大腸桿菌的遺傳分化細(xì)胞。通過控制該過程，可以創(chuàng)建表現(xiàn)出復(fù)雜的非本地行為的多種微生物群落。

萊斯大學(xué)博士后研究員Sara Molinari和研究生Shyam Bhakta闡明了大腸桿菌的菌落。研究人員和他們的同事發(fā)現(xiàn)了一種技術(shù)，可以促使細(xì)菌模擬干細(xì)胞分裂時的分化能力。

水稻合成生物學(xué)家Matthew Bennett和Sara Molinari，大學(xué)系統(tǒng)，綜合和物理生物學(xué)博士前學(xué)生。該計劃引導(dǎo)該項目展示如何操縱質(zhì)粒的遺傳密碼- 細(xì)胞中自由漂浮的環(huán)狀DNA片段 - 可用于獲得細(xì)菌中的干細(xì)胞樣分化。

“干細(xì)胞具有顯著的不對稱分裂能力，”貝內(nèi)特說。“分裂后，原始干細(xì)胞保持不變，但新的子細(xì)胞具有全新的表型。這是不對稱細(xì)胞分裂，多細(xì)胞生物利用它來幫助控制細(xì)胞組成。

“作為一名合成生物學(xué)家，我認(rèn)為很多關(guān)于在多細(xì)胞群體中創(chuàng)建和控制分化細(xì)胞類型，”他說。“在這里，我們采取了我們對干細(xì)胞的了解，并設(shè)計了在細(xì)菌中實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法。”

研究人員在Nature Chemical Biology上報告了他們稱之為不對稱質(zhì)粒分區(qū)(APP)的發(fā)展。

Molinari首先發(fā)現(xiàn)了如何迫使大腸桿菌中的質(zhì)粒聚集在一個簇中，因此它們在細(xì)胞分裂過程中不會均勻分布，而是僅由兩個子細(xì)胞中的一個遺傳。攜帶質(zhì)粒的子細(xì)胞保持與祖細(xì)胞相同，而其同胞在遺傳上變得遺傳上不同，因為它丟失了質(zhì)粒上存在的遺傳信息。

在93分鐘的過程中，萊斯大學(xué)的研究人員稱不對稱質(zhì)粒分配促使單個大腸桿菌細(xì)菌分裂成兩種遺傳上不同類型的細(xì)菌。在右圖中看到熒光的女兒微生物保留了攜帶DNA的質(zhì)粒(用黃點(diǎn)標(biāo)記)，而它們現(xiàn)在分化的兄弟姐妹沒有。Bennett Lab的插圖

然后，她擴(kuò)展了合成回路以誘導(dǎo)單個細(xì)胞中兩種質(zhì)粒物種同時不對稱分配，產(chǎn)生四種遺傳上不同的大腸桿菌。一些細(xì)胞具有編程的運(yùn)動性;他們可以按照自己的方式，幫助在最終的殖民地形成模式。

“當(dāng)我們開始時，我們正在考慮創(chuàng)造必須能夠感知和適應(yīng)環(huán)境的材料，”最近獲得賴斯博士學(xué)位的莫利納利說。“我們認(rèn)為，如果我們能夠模仿高階組織的這一特征，我們就會增加我們殖民地的穩(wěn)健性和執(zhí)行任務(wù)的能力。挑戰(zhàn)在于設(shè)計一群細(xì)菌，在需要的時候成為別的東西。“

莫利納利和她的同事們第一次嘗試用大腸桿菌擊中了大獎。“沒有規(guī)范的方法來設(shè)計不對稱的細(xì)胞分裂，”她說。“這是一個瘋狂的想法，它第一次神奇地工作。

“但是我們無法完全弄清楚這個系統(tǒng)，”莫利納利說。“當(dāng)我得到這種蛋白質(zhì)并將其放入我的質(zhì)粒中時，我花了兩年的時間才發(fā)現(xiàn)克隆錯誤。我在蛋白質(zhì)開始時隨機(jī)添加了17個氨基酸，這使整個系統(tǒng)發(fā)揮作用。“

有了這些知識，她開始改進(jìn)聚集在細(xì)胞中的疏水蛋白，同時它們與靶質(zhì)粒結(jié)合，將它們固定在適當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>

Bennett指出，自然過程要么將足夠的質(zhì)粒加載到細(xì)胞中以確保每個子細(xì)胞中的一些土地，要么主動將質(zhì)粒拉入每個新細(xì)胞中以確保它們保持相同。“我們已經(jīng)證明我們可以勝過這些過程，”他說。

APP可以將簡單的生物轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜的系統(tǒng)，增強(qiáng)對多細(xì)胞生命的理解。“我們擅長設(shè)計細(xì)菌，”貝內(nèi)特說。“我們多年來一直這樣做。我認(rèn)為這個領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展到我們可以用細(xì)菌做出驚人的事情，人們在問我們還能做些什么。“

他說，這一新發(fā)現(xiàn)提供了一條前進(jìn)的道路。

“多細(xì)胞生命有三個主要標(biāo)志，”他說。“一種是通過不對稱細(xì)胞分裂進(jìn)行分化。另一種是細(xì)胞間通訊，合成生物學(xué)家已經(jīng)工程多年。第三是細(xì)胞粘附，因此細(xì)胞停留在它們應(yīng)該的位置并相互粘連。如果我們能夠?qū)⑺羞@些事物控制在一起，我們就可以談?wù)撚腥さ亩嗉?xì)胞生命形式。

“它開始感覺有點(diǎn)像科幻小說，當(dāng)然，”他說。