菌群趋化迁移的有序空间结构形成机制研究
批准号:
32071417
项目类别:
面上项目
资助金额:
57.0 万元
负责人:
傅雄飞
依托单位:
学科分类:
合成生物学与生物改造技术
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
傅雄飞
中文摘要
生物自组织形成有序结构对生命活动有重要的作用。在前期发表的工作中,申请人通过调控细菌个体的趋化运动能力表型,发现不同表型在菌群趋化迁移过程中呈有序空间排布,而该有序结构使得差异化的个体实现了协调统一的群体行为。然而,对于该有序结构的形成机制尚不明确,即细菌是如何通过个体的随机游动行为自发地确定其在群体中的相对位置?通过单细胞追踪实验,我们发现细菌个体在群体迁移中呈现出均值回归的随机运动。因此,我们提出:在菌群迁移时,细菌消耗吸引物形成浓度梯度场;在该梯度场作用下,不同个体将围绕与其趋化运动能力相对应的中心做均值回归的随机运动;该中心呈空间单调分布,使得菌群形成宏观有序的空间结构。本项目拟基于人工构建的菌群趋化迁移系统,通过定量实验结合理论模型,量化细菌的个体行为与排序策略,从而阐明菌群迁移行为有序结构的形成机制及其生物学意义。本项目的实施将为人工构建生物自组织系统提供新思路和新理论。
英文摘要
Ordered structure plays an important role in living systems. Our previous study showed the emergence of ordered structure in bacterial chemotactic migration with cells of different chemotaxis abilities. This ordered structure enable bacterial population to coordinate diverse individuals to form collective migration. However, the mechanism how this ordered structure emerges is still not clear. In another words, how individual cells that performs a run-and-tumble random motions find their relative positions in the migratory group is in a myth. Our preliminary experiments showed that bacteria can perform mean-reversion random walks. Therefore, we proposed the following hypothesis: bacteria consume chemo-attractant to form a gradient during collective migration; this gradient drives bacteria as a force field to enable the bacteria to perform mean-reversion random motions around the centers respect to their chemotactic abilities; the centers of each phenotypes with different chemotactic abilities are monotonically aligned; therefore, ordered structure emerges. In this project, we will study the bacterial behavior and ordering strategy, to understand the forming mechanism of ordered structure in bacterial collective migration and its biological meaning. This study will bring new insights and theories to synthetic self-organized biological systems.
生物自组织形成有序结构对生命活动有重要的作用。在前期研究中我们通过调控细菌个体的趋化运动能力表型,发现不同表型在菌群趋化迁移过程中呈有序空间排布,而该有序结构使得差异化的个体实现了协调统一的群体行为。然而,对于该有序结构的形成机制尚不明确,即细菌是如何通过个体的随机游动行为自发地确定其在群体中的相对位置?本项目中,我们基于人工构建的菌群趋化迁移系统,通过定量实验结合理论模型,量化细菌的个体行为与排序策略,从而阐明了菌群迁移行为有序结构的形成机制。通过单细胞追踪实验,我们发现在菌群迁移时,细菌消耗吸引物形成浓度梯度场;在该梯度场作用下,不同个体将围绕与其趋化运动能力相对应的中心做均值回归的随机运动;该中心呈空间单调分布,使得菌群形成宏观有序的空间结构。该研究为人工构建生物自组织系统提供新思路和新理论。进一步的,基于我们对细菌趋化运动的深入理解,我们还针对细菌的趋化运动行为进行了拓展性的研究,我们以大肠杆菌作为宿主,利用可感染大肠杆菌的病毒即M13噬菌体,在实验室环境下构建了宿主与病毒互相作用的实验系统,通过合成生物学手段调控宿主的运动性及病毒的感染特性等,结合数学模型,深入探讨了由细菌趋化运动介导的定向型空间扩张下细菌的运动性对病毒传播的影响。研究发现:由细菌扩散和生长驱动的无方向型空间扩张条件下,宿主运动将促进病毒传播;在由趋化运动和生长驱动的定向型空间扩张中,宿主运动抑制病毒传播。并且,定向型空间扩张下扩张前锋中被病毒感染的细菌群体和未感染细菌群体存在有序的空间位置分布差异从而导致了生态学上病毒的“迁徙淘汰”现象。该研究为探讨自然界更广泛的病毒传播问题提供了新思路和实验手段。并且,本项目将理论建模、定量实验、合成改造相结合,是定量合成生物学“建物致知”的一个研究范例。
细菌扩张前沿空间筛选机制诱导的人工合成生物斑图
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批准号:32261160377
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项目类别:国际(地区)合作与交流项目
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资助金额:100.00万元
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批准年份:2022
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负责人:傅雄飞
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依托单位:
关于细菌逃避中性粒细胞追逐的最优策略研究
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批准号:11504399
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:21.0万元
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批准年份:2015
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负责人:傅雄飞
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依托单位:
关于细菌生长速率与趋化运动能力间权衡机制的研究
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批准号:31570095
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项目类别:面上项目
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资助金额:60.0万元
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批准年份:2015
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负责人:傅雄飞
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依托单位:
国内基金
海外基金