合成电池可以打长途电话

水稻科学家说6037电路帮助细菌快速地将信号传递给整个群落

寻找有效的生物工具是一场马拉松，而不是短跑，即使是在微观尺度上的距离。莱斯大学(Rice University)关于工程化细胞群落如何交流的发现，是朝着正确方向迈出的一大步。

合成生物学家马修·贝内特(Matthew Bennett)的莱斯实验室(Rice lab)设计了一套转录回路，当这些转录回路加入单细胞微生物的基因组(并由其表达)时，就能让它们迅速形成一个局部相互作用的网络，从而刺激集体行动，即使在大型群落中也是如此。

在左图的视频中，马修·班尼特描述了两个被设计用来协调它们活动的细菌群落。视频由贝内特实验室和自然化学生物学提供

发表在《自然化学生物学》(Nature Chemical Biology)杂志上的研究显示，经过改造的大肠杆菌菌株在充满细菌的走廊里传递信号，并协调它们的行动。这样做的能力可能导致工程微生物来治疗肠道微生物群落或与生物电子学交流。

“细胞经常使用化学信号来互相交流和传递信息，本内特说。然而，化学信号的范围有限。在它们离开细胞后，它们会通过细胞所在的任何介质扩散，而且扩散的范围有限。

他说:“在这项研究中，我们研究了以前我们建立的一个系统，这个系统使用了两种不同的菌株和它们之间不同类型的通信来研究一旦我们增加了包含这些菌株的菌落的大小，它们会如何反应。”

证据不仅出现在实验室的一个视频显示组的微生物脉冲信号彼此在张成的空间实验,而且在数学模型通过频繁的合作者Kim Jae Kyoung数学教授韩国先进的科学和技术研究所和Krešimir Josić,休斯顿大学的数学教授和莱斯大学生物科学的副教授。

这些微生物被修饰成表达能激活正反馈和负反馈回路的蛋白质。为了描述这些修改的效果，研究人员将它们分成四组，一组为正反馈，一组为负反馈，一组为正反馈和负反馈。

然后，他们能够看到激活信号的正循环在促进通信方面是最有效的。我们发现在细胞间可直接交流的空间扩展系统中，需要正反馈环来同步基因表达

这并不是说负电路或阻遏器什么都没做。你需要负反馈来产生和稳定振荡，本内特说。它使系统对环境中的扰动具有更强的鲁棒性

贝内特说，在之前的实验中，这些细胞在小的微流控腔中通讯没有问题。他说:在那里，信号分子的扩散非常快，基本上是全球性的。由于空间狭小，所有的细胞都能互相通信。

在我们的新系统中，那不是真的。“细胞只能与邻近的细胞交流，而无法与另一端的细胞交流。尽管如此，我们发现我们施加于这两种应变的电路所产生的振荡仍然能够在空间和时间上同步

事实上，他们认为信号从腔室的一端传到另一端需要几个小时，这几乎立即引起了同步振荡。

他说:“我们发现了一些重要的因素，即在这些大型扩展菌落之间增加同步的反馈回路。”这是很重要的，因为当合成生物学家朝着设计更大的多细胞系统的方向发展时，我们不仅要能控制单个细胞内发生的事情，还要能协调整个种群内在空间和时间上发生的事情

研究人员发现，他们必须给细胞一些呼吸的空间来有效地交流，所以他们沿着走廊打开了“doors”。“班尼特说:我们认为这与菌株的稳定性有关。当你有两种不同的类型时，它们会被动地争夺空间，在成长和分裂的过程中相互推搡。

“你可以得到局部波动，细胞可能被推到一边。这造成了不稳定，并严重复杂化了细胞间的交流，”，他说。我们发现打开这些陷阱稳定了菌落的空间构成

莱斯大学(Rice University)开发的开放微流体设备中细胞生长的代表性荧光图像显示，转录回路如何让单细胞微生物形成网络，从而刺激集体行动，即使在大型社区也是如此。两种不同颜色编码细胞的空间排列最终趋于稳定。由贝内特实验室/自然化学生物学提供

在这种电路应用于临床之前还有很多工作要做，但贝内特看到了前进的道路。他说:“最终，我们希望能够建立多细胞系统来做一些实际的事情。当然，如果我们完全按照大自然的规律去做，我们会有很长的路要走，因为大自然非常擅长创造多细胞系统来做一些有趣的事情。

但是那并不意味着进化已经找到了做事的唯一方法

Kim和莱斯校友Ye Chen是这篇论文的共同作者。合作者Josić,大米博士后研究员安德鲁Hirning和大米研究生Razan Alnahhas。贝内特是生物科学和生物工程的副教授。

国家卫生研究院、国家科学基金会、罗伯特·a·韦尔奇基金会、哈米尔基金会、韩国国家研究基金会和浦项制铁的T.J. Park科学奖学金资助了这项研究。