生命体在时空变化微环境下的响应行为的定量研究

以定量的方式从系统层次研究生命体是物理学向生命科学发展的一个重要方向。最近发展起来的生物微流技术使得这种融合有了实验上的保证。本研究拟利用生物微流技术对典型模式生物（大肠杆菌、芽殖酵母菌）的运动行为作定量研究，以期在生物网络控制系统层面对生命体的运动现象有深入了解。计划的研究内容包括：1.大肠杆菌化学趋向性的动力学机制。对时空变化环境下大肠杆菌的化学趋化性行为进行实验研究，并与理论作定量比较。2.酵母菌细胞周期与环境周期的同步化研究。选择不同的营养环境切换（浓度，变化速度），考察酵母细胞周期相位在两稳态切换过程的锁频于锁相行为，与理论作定量比较。实验在匹配了微流控的自动显微镜系统中进行，可以高时空精度地对细胞所处的微环境进行可编程控制，同时实现单细胞测量。理论研究是应用非线性动力学的研究方法，对生命系统的动力学行为进行建模，数值模拟和数学分析。

本研究利用生物微流技术对典型模式生物（大肠杆菌、芽殖酵母菌）的运动行为作定量研究，以期在生物网络控制系统层面对生命体的运动现象有深入了解。重要的结果包括1.大肠杆菌化学趋向性的动力学机制。我们巧妙的设计了一个长度为百微米量级，时间变化的为1分钟到几十分钟的可控时空浓度梯度的微流控器件，并用其定量观测大肠杆菌对精确控制的时空变化的引诱剂甲基天冬氨酸的浓度梯度的响应行为。通过单细胞水平的一些已有的化学趋向性网络相关的参数进行拟合，在宏观模型中引入趋化性响应延迟进行推演，得到了对实验现象中细菌反常迁移行为的定量解释。2.酵母菌细胞周期与环境周期的同步化研究。我们在理论上提出如果在外源营养的周期性变化的情况下，芽殖酵母细胞周期可能会有共振效应；在外源周期与酵母周期接近的情况下，可以实现较好的同步行为。实验结果表明，仅通过葡萄糖浓度的周期性变化，可以在三个周期内得到逐渐增强细胞同步效应，达到超过80%的细胞被外源营养信号所同步化，可以作为新型的细胞周期同步化的方法。3.细菌的耐药性研究，我们构建了一套微流控体系用于研究不同细菌面对不同头孢类抗生素浓度压力下的响应行为，通过耐药菌株以及敏感菌株的单细胞水平上的定量观测，发现了一些新的生物现象，我们对其进行了定量建模，提出应对抗生素变化，耐药菌株会有明显表达水平的反馈提升其对抗生素耐受性范围的机制，发表了系列工作。通过项目的资助，我们建立了一整套研究典型模式生物（大肠杆菌，酵母细胞，癌细胞）在不同环境下动力学行为的实验与理论的定量方法，促进了物理实验与理论方法在生物学中的具体应用。