編者按

合成生物學研究面臨的科學挑戰之一，是我們對生物體系形成原理認識不足，使得理性設計人工系統仍有很大的困難。生物體系雖然很複雜，但卻是“時空有序”的。揭示“有序性”的形成原理，為合成生物學家從頭設計複雜生命體系提供重要理論指導。中國科學院深圳先進技術研究院劉陳立研究員在前期工作中以合成生物學“造物致知”理念為指導，研究了單細胞個體【1】和遺傳均一種群【2】時空有序結構的形成原理。對於遺傳不均一的種群，如何讓一群細胞通過繁殖運動，實現遺傳基礎不同的細胞有序地分佈於空間不同區域呢？在新的一期Nature上，劉陳立研究員和華泰立教授以細菌遷徙為研究對象，系統研究了空間分佈的最優策略。這是一個令人興奮的實驗性進化和合成生物學研究，它帶來的啟示也十分豐富。有鑑於此，特別邀請了中國科學院合成生物學重點實驗室趙國屏教授和北京大學定量生物學中心 歐陽頎教授對這一工作進行了專業點評，以饗讀者。

點評 | 趙國屏（中國科學院院士）、歐陽頎（中國科學院院士）
責編 | 兮

2019年11月7日，中國科學院深圳先進技術研究院劉陳立研究員實驗室和加州大學聖地亞哥分校華泰立教授實驗室合作（共同一作為劉為榮和Jonas Cremer博士）在Nature雜誌上以長文形式發表了題為An evolutionarily stable strategy to colonize spatially extended habitats的研究論文（注：該文章是中國科學院深圳先進技術研究院第一篇第一作者和最後通訊作者單位的Nature文章）。作者將空間定植、實驗性進化與合成生物技術結合起來，經過5年時間的大量實驗反覆研究空間遷徙與進化，研究了物種空間定植的進化穩定性策略，為合成生物學、生態學等提供了全新的理論指導和啟示。

非洲動物大遷徙是自然界一大奇觀，每年數以百萬的動物分為前中後“三軍”向北進發，打頭陣的是20多萬匹野斑馬，緊跟其後的是百萬頭角馬，殿後的是50萬隻瞪羚。在此期間，還有40萬新生命加入隊伍。將上述大場面搬進實驗室，把動物替換成細菌放進培養皿，便成了該研究團隊所研究的對象——細菌遷徙。

首先，作者構建了細菌在軟瓊脂平板上遷徙的實驗性進化系統（圖1a）。簡單來說，將細菌接種在軟瓊脂上，細菌在不斷向外遷移擴張的同時會有部分細菌遺留定植下來，遷移前緣的細菌逐漸佈滿整板，同時遷移後方遺留定植下來的細菌生長至營養消耗殆盡。之後挑取不同位置的細菌，分別轉接到新鮮準備的軟瓊脂上，遷移生長至整板後，分別從這些平板上挑取之前同樣位置的細菌轉接至新鮮準備的軟瓊脂平板上，重複上述步驟。

細菌群體的遷移速率的變化呈發散狀變化，能夠在遠處定植的細菌的遷移速率變大，而靠近中心定植的細菌的遷移速率變小（圖1b）。遷移速率變小這一現象出乎意料，從直覺上講，種群通過遷徙擴張獲得營養或新的生存環境，快速的遷徙擴張似乎對物種的定植有利的。那為什麼實驗上會出現遷移速率不斷進化變慢的情況呢？進一步分析這個變化趨勢，作者意識到空間上存在一個非常特別的位置（約15mm）。每次在這個位置定植的細菌，遷移速率沒有變化。換一句話說，就是這個位置定植的細菌在進化上是穩定的。

隨後，作者分析不同遷移速率菌株單獨在軟瓊脂平板上遷移的動力學特徵，結果顯示遺傳均一種群單獨遷移擴張時，確實是遷移速率快的菌株具有絕對優勢。然而，遺傳不均一的兩個種群（表型上遷移速率不同）同時遷移擴張時，空間上存在一個轉折點dx，該處快慢兩者適應性相同，在轉折點以外的空間遷移速率快的佔有優勢，在轉折點以內的空間遷移速率慢的佔有優勢（圖2a,2b），這說明種群在不同位置的適應性依賴於其它種群的存在。通過不同進化突變菌株與野生型菌株的兩兩競爭實驗和數學模型模擬預測這一競爭性生長遷移現象具有普遍性（圖2c,2d）。

作者接著利用合成生物技術構建了兩個負反饋調控菌株。這兩個合成菌株能夠在各自誘導劑控制下，線性改變遷移速率，而保持其它生理參數不變（圖3a,3b）。利用這兩個遺傳背景“乾淨”菌株的兩兩競爭實驗驗證了競爭性生長遷移模型，解釋了轉折點的產生機制，而且這與實驗記錄到的兩菌競爭性遷移的動力學特徵相吻合（圖3c）。

當兩菌競爭擴展到三個菌之間的競爭時(圖4)，結果顯示三菌競爭會形成兩個轉折點，除了速度大的在外邊佔優勢、速度慢的在裡邊佔有優勢外，中間還夾著一個空間區域，中間速度的菌在此區域內佔優勢。

如果快菌、慢菌的遷移速率無限接近中間菌株的遷移速率時，中間區域會逐漸被擠壓成一個點，中間速度菌株在該位置處佔有優勢且不會被其它速度的菌株入侵，因此可以推出每個空間位置都對應著一個能在此定植的穩定遷移速率。通過模型擬合不同遷移速率菌兩兩競爭的適應性景觀（圖5a）。適應性景觀中每個生存域/位置都對應一個穩定的平衡點（即最佳遷移速率），具有最佳遷移速率的種群不會被遷移速率更大或更小的種群入侵（圖5c），而這個最佳遷移速率與生存域的大小成線性關係，這個線性關係的斜率由生長速率決定(圖5b)。

“過去的研究普遍認為，在細菌遷徙的競爭中，想要佔領最大疆域，擴張速度越快越好，不同細菌單獨跑的情況下也確實如此；然而，不同細菌同時跑的時候，情況出人意料”，劉陳立研究員說道，“菌群的遷移速率呈發散狀變化，佔領外圍的菌群越‘跑’越快，而佔領中心的菌群則不斷放慢‘腳步’。這一現象出乎我們的意料，在均一環境下，一般認為‘先到先得’，速度變慢則意味著被淘汰，此前領域內的研究也都未注意到運動速度慢也有優勢。我們的實驗說明細菌在空間擴張過程中，不止採用加快運動速度這一種策略，還有其它因素決定著最終的‘版圖’分佈。在整個遷徙過程中，每個種群都有著自己的‘擴張策略’，根據想佔領的空間面積及位置，調控各自的遷徙和生長速度，最終構成各佔一隅的穩定格局。找到遷徙進化的規律後，我們根據模型計算和實驗驗證可以推導出一個簡單定量公式，包含生存面積、運動速度、生長速度這三大關鍵因素。根據該公式，在已知空間大小的條件下，便能算出遷徙進化的最優策略”。

基於該定量規律，很容易推測出，只要控制好遷移速率和生長速率，就可以讓不同種群有序且穩定的分佈在空間不同區域。為了驗證該推測，作者構建了5株不同遷移速率的菌株。進一步實驗表明，5株菌株從空間中央生長、增殖和遷移，自發性的定植在空間上不同區域（圖6）。

總之，該研究揭示，對於空間定植，並不是遷移速率越快的種群越有優勢。過快的遷移速率會使種群變得不穩定，容易被遷移速率小的種群所入侵。種群在不同大小生境的定植，都對應著一個最優的遷徙和生長策略。作者通過一個簡單的數學關係，總結了細菌通過平衡生長和運動的進化策略來實現空間上的分佈多樣性，該成果對於構建穩定的合成多細胞系統、解釋均質環境下如何維持生物多樣性、或預測物種遷移定植的最優策略等問題提供了理論指導。同時，這篇文章中揭示的簡單定量規律，一方面可以指導合成生物學研究者設計構建多細胞種群的空間有序結構，另一方面也可以啟發生態進化學者關於均一環境下的種群共存等問題的思考。

值得一提的是，本文章的通訊作者之一華泰立教授在同期Nature上發表了文章Chemotaxis as a navigation strategy to boost range expansion，揭示了化學趨化與細菌增殖之間的關係。

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專家點評

趙國屏（中國科學院院士，中國科學院合成生物學重點實驗室）

生命科學研究正在開啟以系統化、定量化和工程化為特徵的“多學科會聚”研究的新時代，正在逐漸從描述（descriptive）階段，經過分析（analysis）階段向建構性（constructive/synthesis）階段發展，最終達到對生命與生命過程“可預測、可調控和可創造”目標。在這個過程中，一個重要的科學問題是獲得對生物體系有序結構形成原理的定量認識。

中國科學院深圳先進研究院合成生物學研究所，中科院定量工程生物學重點實驗室劉陳立研究員課題組和加州大學聖地亞哥分校華泰立教授實驗室，針對這一重要科學問題，以大腸桿菌為單細胞模式生物，採用定量生物學和合成生物學的策略，獨闢蹊徑地將空間信息引入細菌實驗性進化研究，經過多年堅持不懈的定量實驗考察和理論分析，結合“設計-建構-檢測”，最終探知了種群在空間上競爭性定植背後“隱藏”的定量規律，這一成果，生動體現在今天發表的這篇Nature長文之中。

傳統的細菌實驗性進化通常只考慮時間信息，這個工作專門考察種群為什麼能夠在空間上競爭性定植，並解析這一定植過程中基因組的進化規律。他們發現，在不同大小空間上定植的細菌種群分別進化趨向不同的“穩定”遷移速率。進一步通過經典的兩兩競爭實驗和數學模型分析，發現一個種群所佔空間大小和區域位置，與其競爭者的遷移速率有著明確的定量關係。理論分析進一步預測遺傳基礎不同的細菌種群通過“細胞增殖”與“細胞遷移速率”之間的平衡，能自發地在不同的空間區域定植，並穩定共存。在解析了“編碼”這一進化過程的基因組變異的基礎上，作者又通過進化實驗和合成生物改造菌株驗證了上述定量規律和理論預測。

這是一個完全原始創新的工作。它所揭示的定量規律能夠為合成多細胞生物體系有序結構的設計與構建基礎理論指導，是合成生物學“建物致知”研究理念的生動示範。同時，對於物種進化，特別是物種內部微進化理論的發展，也具有不可取代的重要意義，也是實驗性進化研究的一次生動範例。

這項研究表明，細菌不僅是開展定量生物學和合成生物學研究的極好材料，也是開展實驗性進化研究的極好材料。但是，國內從事這方面研究的實驗室不多。究其原因，一方面是需要研究者有很深厚的遺傳學和進化科學的理論知識功底；另一方面，此類工作的成功需要在大量和長期的重複性精確測定獲得的數據基礎上，才可能給出定量分析和理論模型預測。希望這篇Nature長文的誕生，能夠啟發我國從事生命科學基礎研究的研究者們（主要是青年研究人員，老師和學生），一方面加深研究功底的積累，加強研究能力的培養；另一方面拓展研究的視野，創新研究的思路。只要我們在這樣一條艱難而正確的道路上堅持下去，我們的前途就一定是光明的。

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專家點評

歐陽頎（中國科學院院士，北京大學定量生物學中心）

這個工作在針對微觀生態進化的“時域”與“空域”的精細定量程度與系統程度方面跨出了一大步。在缺乏定量可控的實驗情況下，達爾文的進化論無法發展出能夠做出定量預測的理論，因而是不完整的。尤其是複雜時空變化的環境下，多物種的競爭與適應策略更是進化理論研究的難點。

本文利用細菌的遷移和繁殖等基本生命參量，研究了不同細菌種群在限定營養的二維空間中，不同領地上定植能力最強的細菌種群的生長和擴張速率等適應力的演化規律。與通常認為的“先到先得”策略不同，特定領地上定植能力最強的細菌不是跑得最快的（擴張速率最大的），而是不同的領地對應著一個最優的擴張速率。

更值得注意的，作者利用非線性動力學模型，推導了一個簡單的定量關係解釋了 “先到不先得”的違反直覺的實驗結果。另外，這種細菌種群對領地的競爭定植可被認為是一種空間上的博弈遊戲，作為遊戲玩家的細菌將遷移速率作為一個策略，遷移速率穩定的平衡態類似於博弈論中的納什均衡，也就是說從這個穩定策略中偏離的任何玩家都不會得到任何利益。

這個漂亮的工作示範了複雜生物過程背後存在著簡單定量關係。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-019-1734-x

參考文獻
1. Hai Zheng, Po-Yi Ho, Meiling Jiang, Bin Tang, Weirong Liu, Dengjin Li, Xuefeng Yu, Nancy E. Kleckner, Ariel Amir, Chenli Liu. Interrogating the E. coli cell cycle. Proceedings of the National Academy of Sciences Dec 2016, 113 (52) 15000-15005; DOI: 10.1073/pnas.1617932114

2. Chenli Liu, Xiongfei Fu, Lizhong Liu, Xiaojing Ren, Carlos K.L. Chau, Sihong Li, Lu Xiang, Hualing Zeng, Guanhua Chen, Lei-Han Tang, Peter Lenz, Xiaodong Cui, Wei Huang, Terence Hwa, Jian-Dong Huang. Sequential Establishment of Stripe Patterns in an Expanding Cell Population. Science14 Oct 2011: 238-241