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港大與國際研究小組合作發現嶄新生物學原理控制細胞生長成有序圖案 了解生物結構的形成機制

2011年10月14日

 

究竟為何人類每隻手有五隻手指，牛有兩隻，而馬則只有一隻? 其實在自然界中，細胞組成重複的圖案和結構往往是被精確控制的，而這種排列使生物長成不同的特定形狀。可是，這些結構是如何形成、原理是什麼，對人類而言一直是一個迷。一個由香港大學、香港浸會大學、美國加州大學聖地牙哥分校以及德國馬爾堡大學的研究人員所組成的研究團隊，運用合成生物學和定量模型手段，設計並製造了一個合成基因系統，並找出其科學原理。是項研究發現，有助了解生物圖案的形成。這項研究結剛刊登於最新一期國際頂尖學術期刊 ─《科學》（Science）之中。

研究團隊表示，這項研究探究了到底細胞是如何通過自身的運動和成長而形成美麗有序的圖案，這是生物學上一個根本的問題。近年，科學家一直努力研究如何使幹細胞生長成器官，或是修補已壞死的器官，但如何使零散的幹細胞生長成有用的器官仍有待研究。長遠來說，是項研究為如何控制細胞生長成不同的結構帶來了新的認知，為幹細胞再生醫學的研究帶來重要啓示。

研究內容

細胞在時間空間上的有序排列及分布是形成生物結構非常關鍵的一步，這項研究致力於探究這個生物學上的根本問題。

具體來說，研究人員運用合成生物學和定量模型的方法，設計並製造了一個由兩個模組所組成的合成基因系統。通過這個基因系統，他們能夠控制大腸桿菌的運動模式，使其構成一個重複圖案。他們還透過使用數學模型來分析這個系統形成重複圖案的原理。而且，他們根據模型提出的方法，成功實現了條紋數量的調控。

研究人員設計改造的大腸桿菌能夠從一個中心開始長成空間上有序排布的週期性條紋狀圖紋 (請參考附圖)。此外，研究人員還成功控制了條紋產生的數量。這為解釋生物發育過程中定量控制結構的形成，提供了一種嶄新的思維及理解。

研究結果及其意義

生物如何從一個細胞發育生長成為一個成熟的生物體是一個非常複雜卻有序的過程。這過程涉及到細胞分化形成不同類型的細胞，以及細胞在空間上的相互協調而形成有序的排列。對於前者來說，近年來的研究在基因編碼幹細胞等領域已經取得了很大的進展。然而，由於生物系統複雜，人們對後者的認知相對上比較少。

這項研究通過改造細胞成功製作了一個在時空有序的週期性圖案。而且這圖案是可預測和可調改的。這研究結果提醒我們，在自然界中，重複的圖案和結構往往是被精確控制的。例如，人類每隻手只長五隻手指，牛有兩隻，而馬則只有一隻；人類的脊椎有33 塊脊椎骨，而蛇的脊椎則可多達300 塊脊椎骨。在大自然中這些數量嚴格控制的週期性結構非常普遍，但是形成這些結構的原理卻還是一個迷。所以要通過基因工程去產生重覆結構並控制它們的數量是一件十分困難的事。這項研究能夠簡易地改變細菌長成的條紋數量，為人們解釋動物身體數量特徵的形成機制，及如何控制其生長提供了新的思路。

本研究是一項結合系統生物學(systems biology), 定量生物學(quantitative molecular biology)，合成生物學(synthetic biology) 和物理學(physics) 的跨學科研究。這項研究成果不但對於形成週期性圖紋以及圖紋數量的調控機制解釋做出了貢獻，而且也顯示了合成和定量生物學在探索生物學基本原理中的作用。

有關研究團隊

這項研究由四所大學的研究人員共同合作下完成。香港大學生物化學系劉陳立博士和物理系博士生傳雄飛先生為主力研究成員。香港大學李嘉誠醫學院生物化學系黃建東博士和黃巍博士以及美國加州聖地牙哥大學物理系華泰立教授率領生物實驗。香港大學物理系崔曉冬博士的研究團隊和黃巍博士一同設計本研究的光學設備。美國加州聖地牙哥大學物理系華泰立教授、馬爾堡大學物理系Peter Lenz教授、浸會大學物理系湯雷翰教授和香港大學化學系陳冠華教授率領理論模型分析。 

港大研究團隊的主要成員﹕(左起)香港大學李嘉誠醫學院生物化學系及理學院物理系助理教授(研究)黃巍博士、香港大學理學院物理系博士生傅雄飛、香港大學李嘉誠醫學院生物化學系副教授黃建東博士、香港大學李嘉誠醫學院生物化學系博士後研究員劉陳立博士、香港大學理學院化學系系主任陳冠華教授	港大研究團隊﹕(前排左起) 黃巍博士(香港大學李嘉誠醫學院生物化學系及理學院物理系助理教授(研究))、黃建東博士(香港大學李嘉誠醫學院生物化學系副教授)、陳冠華教授(香港大學理學院化學系系主任); (後排左起)曾華凌、傅雄飛、李思宏(香港大學理學院物理系博士生)、劉陳立博士(香港大學李嘉誠醫學院生物化學系博士後研究員)、周君朗(香港大學李嘉誠醫學院生物化學系畢業生)及劉立中(香港大學李嘉誠醫學院生物化學系研究助理)
香港大學李嘉誠醫學院生物化學系副教授黃建東博士觀察研究成果。	香港大學李嘉誠醫學院生物化學系博士後研究員劉陳立博士在拍攝大腸桿菌及紀錄其生長過程。
經生物化學改造的大腸桿菌長出獨特的生長形態	人造基因回路能調控大腸桿菌生長成圓圈的數量