“数字化大肠杆菌”预测进化过程

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    [生物通讯]10多年来，研究人员一直在试图创建准确的大肠杆菌（Escherichia coli ）计算机模型。大肠杆菌因其在食物中毒、医药生产和生物学研究中所扮演的不同角色频繁登上媒体的头条。

    通过将实验室数据与最近构建完成的遗传数据库结合起来，研究人员可以模拟甚至预测生活细胞某些行为的数字生物克隆，预测准确率达到75％。

    现在，加州大学圣地亚哥分校的一组研究人员在美国国家科学基金会（NSF）的资助下，创建了一个可以准确预测大肠杆菌被放置到受限环境中时，代谢系统是如何适应环境和发生进化的。Bernhard Palsson、 Rafael Ibarra（现任职于加州GenVault公司）和Jeremy Edwards（现任职于特拉华大学）将他们的研究结果发表在11月14日期的《自然》（Nature）杂志上。

    “我们的模型是现有的唯一一个基因组尺度的大肠杆菌模型。”Palsson说。另外，虽然许多遗传实验方法可以“敲除”基因然后跟踪结果，但这个新模型可以作为一个完整的系统方法。改变遗传密码的一个方面可能与一个生物体是否适应和进化无关，Palsson说。这个基于限制环境建立起的模型使大肠杆菌可以沿着几条可能的途径更加自然地进化。

    用这种方法，科学家可以通过控制环境参数在计算机上设计新的细菌株系，预测微生物如何随时间逐渐适应环境。接下来，通过在实验室中重现这个环境，研究人员就可以诱使活细菌分化为新的株系。

    进化产生的新株系对于产生胰岛素或抗癌药物可能比研究人员通过标准的生物技术改造的现有大肠杆菌株系更有效。

    “现在我们有了更好的可以预测细菌如何进化和适应环境变化的新工具。”美国国家科学基金会的项目主任Fred Heineken.说道。“由此，这个基于环境限制条件的方法将导致定制性更强的生物体的产生。”他说。

    研究人员这次的数字细菌研究是建立在早先实验室研究和大肠杆菌基因组序列信息的基础上。这样的数字模型已知为"in silico"实验即硅片上的实验－－这是在计算机上进行的生物学研究的诙谐双关语。

    在活生物体检测的最初几天里，大肠杆菌并没有适应改变为模型模拟的株系。然而，随着时间的推移（40天，即500-1000 代），实验室培养瓶中的大肠杆菌发生了改变，进化为与硅片模型预测类似的株系。

    “这个基于环境因素限制的方法的新颖之处在于它可以解释细胞性质随时间推移发生的改变。”Palsson说。“幸运的是，它还有另一个优势：就是它的预测往往出奇地准确。”他补充说。

    多年来，药物生产商已经通过操作大肠杆菌株系的遗传密码产生了能够产生重要物质的株系，这些重要物质包括用于糖尿病治疗的胰岛素以及实验性抗癌药angiostatin等。

    利用Palsson和他的同事开发出的这种新限制因素技术，医药制造商和生物加工公司可以利用计算机来确定孕育着最有效、最多产的大肠杆菌株系的遗传密码，然后通过适应性进化创造具有目标性质的细菌株系。

    Palsson表示，“这个新技术有望为大肠杆菌新生产株系的设计指明一个革命性的新方向。”另外，由于我们对大肠杆菌的这个进化过程已经有了更多的了解，开发出其它生物体的类似模拟模型花费的时间应该要少得多。

消息来源：美国国家科学基金会

生物通编译自BIO.COM