生命體在時空變化微環境下的回響行為的定量研究

《生命體在時空變化微環境下的回響行為的定量研究》是依託北京大學，由羅春雄擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：生命體在時空變化微環境下的回響行為的定量研究
• 依託單位：北京大學
• 項目負責人：羅春雄
• 項目類別：面上項目

項目摘要

以定量的方式從系統層次研究生命體是物理學向生命科學發展的一個重要方向。最近發展起來的生物微流技術使得這種融合有了實驗上的保證。本研究擬利用生物微流技術對典型模式生物（大腸桿菌、芽殖酵母菌）的運動行為作定量研究，以期在生物網路控制系統層面對生命體的運動現象有深入了解。計畫的研究內容包括：1.大腸桿菌化學趨向性的動力學機制。對時空變化環境下大腸桿菌的化學趨化性行為進行實驗研究，並與理論作定量比較。2.酵母菌細胞周期與環境周期的同步化研究。選擇不同的營養環境切換（濃度，變化速度），考察酵母細胞周期相位在兩穩態切換過程的鎖頻於鎖相行為，與理論作定量比較。實驗在匹配了微流控的自動顯微鏡系統中進行，可以高時空精度地對細胞所處的微環境進行可程式控制，同時實現單細胞測量。理論研究是套用非線性動力學的研究方法，對生命系統的動力學行為進行建模，數值模擬和數學分析。

結題摘要

本研究利用生物微流技術對典型模式生物（大腸桿菌、芽殖酵母菌）的運動行為作定量研究，以期在生物網路控制系統層面對生命體的運動現象有深入了解。重要的結果包括1.大腸桿菌化學趨向性的動力學機制。我們巧妙的設計了一個長度為百微米量級，時間變化的為1分鐘到幾十分鐘的可控時空濃度梯度的微流控器件，並用其定量觀測大腸桿菌對精確控制的時空變化的引誘劑甲基天冬氨酸的濃度梯度的回響行為。通過單細胞水平的一些已有的化學趨向性網路相關的參數進行擬合，在巨觀模型中引入趨化性回響延遲進行推演，得到了對實驗現象中細菌反常遷移行為的定量解釋。2.酵母菌細胞周期與環境周期的同步化研究。我們在理論上提出如果在外源營養的周期性變化的情況下，芽殖酵母細胞周期可能會有共振效應；在外源周期與酵母周期接近的情況下，可以實現較好的同步行為。實驗結果表明，僅通過葡萄糖濃度的周期性變化，可以在三個周期內得到逐漸增強細胞同步效應，達到超過80%的細胞被外源營養信號所同步化，可以作為新型的細胞周期同步化的方法。3.細菌的耐藥性研究，我們構建了一套微流控體系用於研究不同細菌面對不同頭孢類抗生素濃度壓力下的回響行為，通過耐藥菌株以及敏感菌株的單細胞水平上的定量觀測，發現了一些新的生物現象，我們對其進行了定量建模，提出應對抗生素變化，耐藥菌株會有明顯表達水平的反饋提升其對抗生素耐受性範圍的機制，發表了系列工作。通過項目的資助，我們建立了一整套研究典型模式生物（大腸桿菌，酵母細胞，癌細胞）在不同環境下動力學行為的實驗與理論的定量方法，促進了物理實驗與理論方法在生物學中的具體套用。