時空變化環(huán)境下細(xì)菌趨化行為的研究.pdf

1、感知環(huán)境變化、對感知的信息加工處理并做出相應(yīng)的響應(yīng)是生命的基本特征。生物的化學(xué)趨向性是其中典型的代表,許多生物具有響應(yīng)化學(xué)物濃度變化、趨利弊害行為。其中,大腸桿菌的趨化性是生物學(xué)中研究得最為清楚的信號傳導(dǎo)系統(tǒng)之一。由于其結(jié)構(gòu)簡單卻擁有豐富的生物學(xué)行為特性,如穩(wěn)健的適應(yīng)、對信號的放大、超敏感響應(yīng)等,大腸桿菌趨化性已成為理想的模式系統(tǒng),是生物物理等交叉學(xué)科的重要研究素材。到目前為止,細(xì)菌趨化性研究領(lǐng)域里大多數(shù)出色的成果都是通過對固定住的細(xì)胞

2、施加時序變化的化學(xué)濃度信號研究得到的,這些測量結(jié)果使我們對細(xì)菌趨化性信號通路的動力學(xué)性質(zhì)有了深刻的理解。然而,自然狀態(tài)下細(xì)菌是主動游動的,并且環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)濃度既會有空間上的梯度,也會隨時間變化。細(xì)菌在這樣復(fù)雜的環(huán)境下的趨化行為并不能由先前方法研究的結(jié)果直接來理解。本論文從實(shí)驗(yàn)和理論兩個角度來研究在時空變化環(huán)境下細(xì)菌的趨化行為。
　　論文主體可以分為三個部分:
　　1.應(yīng)用微流控技術(shù)設(shè)計(jì)出能夠定量控制細(xì)菌微環(huán)境的實(shí)驗(yàn)裝置。

3、在實(shí)驗(yàn)中定量研究生物趨化性的最大挑戰(zhàn)在于如何精確控制時空變化的化學(xué)物濃度環(huán)境。通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)和微加工方法,我們首次在微流芯片中實(shí)現(xiàn)了對細(xì)菌微環(huán)境的精確時空控制。空間控制精度可達(dá)微米量級,時間控制精度可達(dá)秒量級,并在百微米的空間尺度上實(shí)現(xiàn)了周期從幾十秒到幾十分鐘的振蕩濃度梯度的精確控制。此實(shí)驗(yàn)設(shè)施的開發(fā)成功不僅滿足了本論文研究工作的需要,也為今后定量研究分子生物學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)提供了有力的工具。
　　2.定量觀測了大腸桿菌對天冬氨酸濃度

4、梯度的周期變化的響應(yīng)行為。我們將細(xì)菌置于時空變化的環(huán)境中研究細(xì)菌對環(huán)境的響應(yīng)。第一次發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌群體的行為模式與濃度梯度的變化頻率有關(guān):低頻下,菌群的運(yùn)動與濃度場的變化同步;而高頻下,菌群的響應(yīng)滯后于濃度梯度的變化,甚至?xí)x擇聚集在低濃度區(qū)域。進(jìn)一步的理論分析確定,這一現(xiàn)象是由于細(xì)菌趨化通路中適應(yīng)調(diào)節(jié)的速率有限造成的。而描述細(xì)菌群體趨化行為的經(jīng)典模型中沒有考慮細(xì)胞內(nèi)信號通路的性質(zhì),在快速變化的環(huán)境下失效。此研究成果指出了描述大腸桿菌化學(xué)趨

5、向性的經(jīng)典模型的不足,并為建立新的模型提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
　　3.建立了能更準(zhǔn)確地描述時空變化環(huán)境下細(xì)菌行為的平均場模型。我們微流實(shí)驗(yàn)中新的發(fā)現(xiàn)激勵了我們建立一個能更準(zhǔn)確地描述時空變化環(huán)境下細(xì)菌行為的新模型,該模型要基于微觀上細(xì)胞內(nèi)的趨化通路,描述宏觀群體行為的特征。然而從分子通路到群體行為跨越多個時間和空間尺度,如何在一個模型中把它們聯(lián)系起來本身是個很大的挑戰(zhàn)。通過對趨化通路的時間尺度分析,我們選擇了受體甲基化水平這個量來表征細(xì)菌

6、的內(nèi)部狀態(tài)。這是由于甲基化過程弛豫時間長,可以充當(dāng)細(xì)胞對化學(xué)環(huán)境的記憶。這樣只用考慮這個量的動力學(xué)性質(zhì),其他的生化過程都可以做準(zhǔn)平衡態(tài)處理。我們引入了“甲基化水平場”,用它與細(xì)菌密度場耦合的方程組,得到了第一個基于信號通路的描述細(xì)菌趨化行為的平均場模型。該模型可以聯(lián)系細(xì)菌群體水平上的行為特征與分子水平上的生化反應(yīng)的參數(shù),并揭示了菌群漂移速率與信號通路的適應(yīng)速率之間的標(biāo)度率關(guān)系。使用這個模型,我們預(yù)測了時空變化環(huán)境下細(xì)菌行為新的反?，F(xiàn)象: