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细菌被模仿细胞 形成群落

  • 科学
  • 2019-08-14 15:29:38
  • 来源:

莱斯大学的合成生物学家促使细菌分化,如干细胞。

莱斯大学的科学家已经找到了一种方法来设计一种新的细菌分化细菌,这种方法受到干细胞中天然存在的过程的启发。他们已经创造了一种遗传循环,能够在细菌分裂时产生大肠杆菌的遗传分化细胞。通过控制该过程,可以创建表现出复杂的非本地行为的多种微生物群落。

莱斯大学博士后研究员Sara Molinari和研究生Shyam Bhakta阐明了大肠杆菌的菌落。研究人员和他们的同事发现了一种技术,可以促使细菌模拟干细胞分裂时的分化能力。

水稻合成生物学家Matthew Bennett和Sara Molinari,大学系统,综合和物理生物学博士前学生。该计划引导该项目展示如何操纵质粒的遗传密码- 细胞中自由漂浮的环状DNA片段 - 可用于获得细菌中的干细胞样分化。

“干细胞具有显着的不对称分裂能力,”贝内特说。“分裂后,原始干细胞保持不变,但新的子细胞具有全新的表型。这是不对称细胞分裂,多细胞生物利用它来帮助控制细胞组成。

“作为一名合成生物学家,我认为很多关于在多细胞群体中创建和控制分化细胞类型,”他说。“在这里,我们采取了我们对干细胞的了解,并设计了在细菌中实现这一目标的方法。”

研究人员在Nature Chemical Biology上报告了他们称之为不对称质粒分区(APP)的发展。

Molinari首先发现了如何迫使大肠杆菌中的质粒聚集在一个簇中,因此它们在细胞分裂过程中不会均匀分布,而是仅由两个子细胞中的一个遗传。携带质粒的子细胞保持与祖细胞相同,而其同胞在遗传上变得遗传上不同,因为它丢失了质粒上存在的遗传信息。

在93分钟的过程中,莱斯大学的研究人员称不对称质粒分配促使单个大肠杆菌细菌分裂成两种遗传上不同类型的细菌。在右图中看到荧光的女儿微生物保留了携带DNA的质粒(用黄点标记),而它们现在分化的兄弟姐妹没有。Bennett Lab的插图

然后,她扩展了合成回路以诱导单个细胞中两种质粒物种同时不对称分配,产生四种遗传上不同的大肠杆菌。一些细胞具有编程的运动性;他们可以按照自己的方式,帮助在最终的殖民地形成模式。

“当我们开始时,我们正在考虑创造必须能够感知和适应环境的材料,”最近获得赖斯博士学位的莫利纳利说。“我们认为,如果我们能够模仿高阶组织的这一特征,我们就会增加我们殖民地的稳健性和执行任务的能力。挑战在于设计一群细菌,在需要的时候成为别的东西。“

莫利纳利和她的同事们第一次尝试用大肠杆菌击中了大奖。“没有规范的方法来设计不对称的细胞分裂,”她说。“这是一个疯狂的想法,它第一次神奇地工作。

“但是我们无法完全弄清楚这个系统,”莫利纳利说。“当我得到这种蛋白质并将其放入我的质粒中时,我花了两年的时间才发现克隆错误。我在蛋白质开始时随机添加了17个氨基酸,这使整个系统发挥作用。“

有了这些知识,她开始改进聚集在细胞中的疏水蛋白,同时它们与靶质粒结合,将它们固定在适当的位置。

Bennett指出,自然过程要么将足够的质粒加载到细胞中以确保每个子细胞中的一些土地,要么主动将质粒拉入每个新细胞中以确保它们保持相同。“我们已经证明我们可以胜过这些过程,”他说。

APP可以将简单的生物转变为复杂的系统,增强对多细胞生命的理解。“我们擅长设计细菌,”贝内特说。“我们多年来一直这样做。我认为这个领域已经发展到我们可以用细菌做出惊人的事情,人们在问我们还能做些什么。“

他说,这一新发现提供了一条前进的道路。

“多细胞生命有三个主要标志,”他说。“一种是通过不对称细胞分裂进行分化。另一种是细胞间通讯,合成生物学家已经工程多年。第三是细胞粘附,因此细胞停留在它们应该的位置并相互粘连。如果我们能够将所有这些事物控制在一起,我们就可以谈论有趣的多细胞生命形式。

“它开始感觉有点像科幻小说,当然,”他说。

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