時空變化環(huán)境下細菌趨化行為的研究.pdf

1、感知環(huán)境變化、對感知的信息加工處理并做出相應的響應是生命的基本特征。生物的化學趨向性是其中典型的代表,許多生物具有響應化學物濃度變化、趨利弊害行為。其中,大腸桿菌的趨化性是生物學中研究得最為清楚的信號傳導系統(tǒng)之一。由于其結構簡單卻擁有豐富的生物學行為特性,如穩(wěn)健的適應、對信號的放大、超敏感響應等,大腸桿菌趨化性已成為理想的模式系統(tǒng),是生物物理等交叉學科的重要研究素材。到目前為止,細菌趨化性研究領域里大多數(shù)出色的成果都是通過對固定住的細胞

2、施加時序變化的化學濃度信號研究得到的,這些測量結果使我們對細菌趨化性信號通路的動力學性質有了深刻的理解。然而,自然狀態(tài)下細菌是主動游動的,并且環(huán)境中的化學物質濃度既會有空間上的梯度,也會隨時間變化。細菌在這樣復雜的環(huán)境下的趨化行為并不能由先前方法研究的結果直接來理解。本論文從實驗和理論兩個角度來研究在時空變化環(huán)境下細菌的趨化行為。
　　論文主體可以分為三個部分:
　　1.應用微流控技術設計出能夠定量控制細菌微環(huán)境的實驗裝置。

3、在實驗中定量研究生物趨化性的最大挑戰(zhàn)在于如何精確控制時空變化的化學物濃度環(huán)境。通過創(chuàng)新設計和微加工方法,我們首次在微流芯片中實現(xiàn)了對細菌微環(huán)境的精確時空控制?？臻g控制精度可達微米量級,時間控制精度可達秒量級,并在百微米的空間尺度上實現(xiàn)了周期從幾十秒到幾十分鐘的振蕩濃度梯度的精確控制。此實驗設施的開發(fā)成功不僅滿足了本論文研究工作的需要,也為今后定量研究分子生物學與細胞生物學提供了有力的工具。
　　2.定量觀測了大腸桿菌對天冬氨酸濃度

4、梯度的周期變化的響應行為。我們將細菌置于時空變化的環(huán)境中研究細菌對環(huán)境的響應。第一次發(fā)現(xiàn)了細菌群體的行為模式與濃度梯度的變化頻率有關:低頻下,菌群的運動與濃度場的變化同步;而高頻下,菌群的響應滯后于濃度梯度的變化,甚至會選擇聚集在低濃度區(qū)域。進一步的理論分析確定,這一現(xiàn)象是由于細菌趨化通路中適應調(diào)節(jié)的速率有限造成的。而描述細菌群體趨化行為的經(jīng)典模型中沒有考慮細胞內(nèi)信號通路的性質,在快速變化的環(huán)境下失效。此研究成果指出了描述大腸桿菌化學趨

5、向性的經(jīng)典模型的不足,并為建立新的模型提供了實驗依據(jù)。
　　3.建立了能更準確地描述時空變化環(huán)境下細菌行為的平均場模型。我們微流實驗中新的發(fā)現(xiàn)激勵了我們建立一個能更準確地描述時空變化環(huán)境下細菌行為的新模型,該模型要基于微觀上細胞內(nèi)的趨化通路,描述宏觀群體行為的特征。然而從分子通路到群體行為跨越多個時間和空間尺度,如何在一個模型中把它們聯(lián)系起來本身是個很大的挑戰(zhàn)。通過對趨化通路的時間尺度分析,我們選擇了受體甲基化水平這個量來表征細菌

6、的內(nèi)部狀態(tài)。這是由于甲基化過程弛豫時間長,可以充當細胞對化學環(huán)境的記憶。這樣只用考慮這個量的動力學性質,其他的生化過程都可以做準平衡態(tài)處理。我們引入了“甲基化水平場”,用它與細菌密度場耦合的方程組,得到了第一個基于信號通路的描述細菌趨化行為的平均場模型。該模型可以聯(lián)系細菌群體水平上的行為特征與分子水平上的生化反應的參數(shù),并揭示了菌群漂移速率與信號通路的適應速率之間的標度率關系。使用這個模型,我們預測了時空變化環(huán)境下細菌行為新的反?，F(xiàn)象: