细菌生长与基因表达关系的定量研究

How bacteria deal with different environmental stresses is an important biology problem. In order to adapt to a variety of environmental pressures encountered in the evolutionary history, bacteria evolved a variety of stress response systems. Bacterial stress response usually leads to significant resource reallocation, which affects the growth of bacteria. Changes in bacterial growth will in turn affect gene expression. Combined with experiments and theory，we will study the relationship between bacterial growth and gene expression in different conditions quantitatively. On the basis of this, we want to understand the law of bacterial growth under pressure environment, discuss the mechanism of bacterial resource allocation and its regulation, understand the coupling between gene expression and bacterial growth in different regulatory modes, and find out the general principles of strategy for bacteria adaptation environment. At the same time, we will develop a framework for bacterial growth that is suitable for computer prediction.

细菌如何应对不同的环境压力是生物学重要问题。为适应进化历史中所遇到的多种环境压力，细菌进化出各种应激机制。细菌的应激反应通常带来明显的资源再分配，从而影响细菌的生长。细菌生长的变化又将影响基因的表达。本项目将实验与理论相结合，对不同条件下细菌生长与基因表达的关系进行定量化研究。在此基础上理解压力环境下细菌生长规律，探讨细菌资源分配及其调控机制，理解不同调控模式下基因表达与细菌生长之间的耦合，发现细菌适应环境所采取策略的一般原理。同时，我们将发展适合用于计算机预测的细菌生长理论框架。

从系统的角度定量理解细菌生理，发现生命设计中具有普适性的规律，成为目前物理学与生物学交叉性研究的热点。理论与实验相结合，我们将统计物理的概念和方法用于压力环境下的细菌生理研究，得到了如下结果：（1）建立了一个粗粒化的蛋白质资源流的动态模型，解析地给出不同压力条件下蛋白资源的分配与生长速率关系。该模型得到蛋白质组和转录组数据的支持，也可以解释我们测量得到的在酸性或氧化压力下组成型蛋白的表达随生长速率变化的关系；（2）基于全基因组代谢网络模型，结合细胞膜结构的约束，首次提出了基于流平衡分析计算细胞大小方法，得到了能够统一描述不同条件下细菌细胞大小与生长速度的关系式，得到了不同培养条件下的细胞长度、磷脂代谢速率以及细胞膜内蛋白质含量等随生长速率的变化关系，发现了对生长速率影响较大而对细胞大小影响很小的几种基因敲除；（3）构建一个由DnaA介导的复制起始的新理论模型，得到了各种扰动下细胞大小的变化，提供了一个新的视角理解当生长速率，C期或D期发生扰动时起始质量的不变性，首次从理论上描述了ppGpp在调控DnaA动力学以协调复制起始、细胞大小和生长速度方面的可能作用。（4）使用信息几何的方法研究细菌群体不同环境之间生长率分布的演化过程，发现了其中对于演化时间限制的不等式，讨论了“自然选择”和噪声在其中的作用，得到了最大熵分布的测地线与独立新陈代谢流数目之间的关系；（5）研究了双功能酶模块的功能有效性和资源成本之间的关系，发现功能有效性与蛋白质成本之间的权衡关系,揭示了自由能耗散速率、响应速度和浓度鲁棒性之间的联系，发现输出的噪声随蛋白质成本的增加而增加，而响应时间的噪声随蛋白质成本的增加而减小。这些结果从统计物理的角度对相关生物问题给出了新的理解。