生物模式對生命的許多過(guò)程至關(guān)重要。例如，在細胞分裂過(guò)程中，某些蛋白質(zhì)的分布決定了母細胞分裂的位置。大腸桿菌（E. coli）是一個(gè)重要的生物模式形成模型，其中特定的Min蛋白在細胞極之間有節奏地往返擺動(dòng)，從而指導對稱(chēng)的細胞分裂。
迄今為止，一個(gè)未解之謎是細菌如何在蛋白質(zhì)組成因環(huán)境條件的變化而波動(dòng)的情況下，仍能保持模式形成的穩定性。由慕尼黑大學(xué)的生物物理學(xué)家Erwin Frey教授以及加州大學(xué)圣地亞哥分校的Suckjoon Jun教授領(lǐng)導的研究團隊找到了解決方案：參與該過(guò)程的Min蛋白之一能夠在活躍狀態(tài)與潛在狀態(tài)之間切換，形成一個(gè)能夠緩沖蛋白質(zhì)濃度波動(dòng)的池。
為了研究模式形成的穩定性，研究人員對大腸桿菌進(jìn)行了基因改造，使其能夠獨立控制MinD和MinE蛋白的基因表達，進(jìn)而獨立調整細胞內的蛋白質(zhì)濃度。隨后，他們在不同的蛋白質(zhì)濃度條件下研究模式形成，并采用統計物理的方法進(jìn)行數據分析。
通過(guò)構象變化進(jìn)行緩沖
“我們的研究表明，在濃度變化超過(guò)一個(gè)數量級的情況下，振蕩依然表現得相當穩健，”該研究的主要作者之一Henrik Weyer表示。“而且，振蕩的波長(cháng)仍然保持異常穩定。”
盡管如此，這種細菌似乎非常節約資源，只生產(chǎn)足以觸發(fā)和維持振蕩的每種蛋白質(zhì)所需的最小量。
基于這些結果，研究人員建立了一個(gè)基于生化反應的理論模型，該模型能夠解釋所有實(shí)驗觀(guān)察結果。至關(guān)重要的是，該模型考慮了MinE蛋白的構象變化。
“潛在狀態(tài)形成了一個(gè)水庫，按需切換到活躍狀態(tài)，從而保持模式形成的穩定性，” Frey說(shuō)道。這些發(fā)現只有通過(guò)生物物理建模與細胞生理學(xué)方法的結合，才得以實(shí)現。他強調：“我們的結果為動(dòng)態(tài)模式形成的原理提供了重要的見(jiàn)解，并可能為其他生物學(xué)問(wèn)題的研究開(kāi)辟新的方向。”
期刊：Nature Physics
DOI：10.1038/s41567-025-02878-w
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