合成生物学（syntheticbiology）是一门近二、三十年来刚刚出现并快速发展的一个分支学科。它将系统生物学、基因工程、机械工程、机电工程、信息论、物理学、纳米技术以及人工智能、电脑模拟技术等等，与生物科学相结合，目前已在多个实际领域中落实应用，如农业、能源、制造业及医学等等。

发表在最近《自然》杂志的一篇重要论文中，科学家们将数学与合成生物学相结合，用生物工程细菌创建复杂的镶嵌图案，将数学与合成生物学结合在一起，研发出被誉为“生命的几何——活体的乐高积木”，使探索许多基本生物学问题成为可能。论文题为：“4比特位粘附逻辑可实现通用多细胞界面图案化”，作为了这一期《自然》杂志的封面文章。

这种“通用多细胞界面图案化”，就像我们通常所说的乐高积木玩具，可以塑造出许多不同的组件。不同的是，合成生物学中的“乐高积木”换成为了诸如细菌、DNA之类的生物模块，通过设计和实验来创造出新的生物功能。

乐高积木可以以某些规定的方式手动相互连接，以创建复杂的结构。如果我们可以设计出可以自我复制和四处移动，并且可以编程成长和自我组装成任何所需目标形状的活体的乐高结构会怎样？

由麻省理工学院数学教授、约恩·邓克尔（JrnDunkel）和亚利桑那大学分子细胞生物学教授、英格玛·里德尔-克鲁斯（IngmarRiedel-Kruse）领导的一个跨学科研究团队，开发了一个实验理论平台，朝着这一目标又迈进了一步。使用基因工程细菌和数学模型，他们能够对细菌系统进行编程，使其生长成任意二维目标结构。

镶嵌图案遍布自然界——从蜂窝到鱼鳞。现在研究人员想出了一种在培养皿中创造图案的新方法——使用细菌。通过对细菌细胞进行工程改造，使其在其表面表达独特的粘附蛋白，该团队可以创造出线性模式——当它们生长时形成细胞群并粘在一起。更重要的是，通过改变表达的确切蛋白质和模拟放置细菌细胞的位置，他们能够控制产生的几何形状——创造一系列复杂的图案。

该研究实验室创建了一个生物工程工具箱，使他们能够控制活动细菌细胞的细胞间粘附特性。转基因细菌在其细胞壁上生长某些分子，这些分子充当合适伙伴细胞的停靠站。只有具有匹配分子的细胞才能相互粘附，而那些携带不匹配分子的细胞则相互滑过。在二维营养表面的不同位置播种少量细菌后，细胞会生长、分裂和移动。当两个具有匹配粘附分子的细胞群发生碰撞时，它们会形成一个可见的固体界面，其位置和形状由初始接种位置和细胞浓度决定。

使用他们多功能的生物工程工具箱，研究人员可创建想要的复杂目标模式。为实现这一目标，团队需要了解：实现任意界面模式需要多少种不同的单元格类型？必须如何设计相互交互规则？实现所需二维结构的正确播种条件是什么？

为了回答这些问题，研究人员尝试制定一种数学模型，使其能够模拟细菌群的生长和动态，并预测细菌群落接口模式的形成。

邓克尔说，“进行试错实验非常昂贵且耗时，”“因此，开发并实施了一个数学模型，可以在几分钟内预测预期的结果。”

研究人员将这种程序化的细菌比作鲜活的乐高积木。他说，“实验室正在创建生物构建模块，我们正在使用我们的模型生成手册，”“实验室将细菌放置在正确的位置——它们聚集、分裂并共同构建所需的目标形状。”

邓克尔补充道，“这些独特的实验系统使探索许多基本生物学问题成为可能：需要多少种细胞类型来培养某些模式？需要在DNA中编码多少信息才能达到一定程度的结构复杂性？什么控制涌现的形状？实验和模型预测之间的良好一致性，使我们能够以很少的成本使用计算机模拟来研究这些问题。”

数学建模加快了对细菌系统进行编程以自组装成所需二维形状的过程。除此之外，该研究表明有望在生物材料设计中进行各种直接的实际应用。

邓克尔说，“在我们的论文中，我们提供了自我生长的弹性片材和通道结构的概念验证实现，可以将液滴输送到所需的位置，”“另一个应用是生物传感器——基本上，细菌在感知环境中的分子时会写出人类可读的信息。”

作为下一步，该团队计划培养三维结构，并为细菌添加额外的功能，例如在所需位置生产某些化学物质的能力。

参考：HonestyKimetal.4-bitadhesionlogicenablesuniversalmulticellularinterfacepatterning.Published:10August.Nature

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