生命的最初時(shí)刻以令人難以置信的精確度展開(kāi)?，F(xiàn)在，利用數(shù)學(xué)工具和果蠅的幫助，普林斯頓大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了關(guān)于這種精確度背后機(jī)制的新發(fā)現(xiàn)。在Cell雜志上發(fā)表的一項(xiàng)新研究中，研究小組表明，細(xì)胞通過(guò)優(yōu)化遺傳密碼中所有可用信息的使用來(lái)確定它們需要的確切位置，從而確定它們將成為什么樣的身體部位。這種優(yōu)化允許每個(gè)單元格將自己定位在一個(gè)單元格的應(yīng)有位置的寬度內(nèi)，而不是產(chǎn)生以后糾正的錯(cuò)誤。

該研究還表明，復(fù)雜的生物系統(tǒng)可以根據(jù)數(shù)學(xué)上最優(yōu)的過(guò)程進(jìn)行操作。該團(tuán)隊(duì)能夠預(yù)測(cè)細(xì)胞在胚胎長(zhǎng)度上的實(shí)際位置的1%以?xún)?nèi)，表明可以從理論原理計(jì)算和預(yù)測(cè)生物學(xué)行為。

“指定精確細(xì)胞位置所需的信息 - 以及它們將成為什么樣的身體部位 - 在果蠅發(fā)育的最早階段就存在和利用，”托馬斯格雷戈?duì)?，物理學(xué)副教授和Lewis-Sigler綜合研究所說(shuō)。基因組學(xué)。“這與人們普遍認(rèn)為細(xì)胞的位置隨時(shí)間緩慢提煉形成鮮明對(duì)比。”

“理論上的想法非常簡(jiǎn)單，即每個(gè)細(xì)胞都在使用它可以從相關(guān)基因中擠出的所有信息，”William Bialek說(shuō)，John Archibald Wheeler / Battelle物理學(xué)教授和Lewis-Sigler綜合研究所基因組學(xué)。“我們已經(jīng)知道了一段時(shí)間，但永遠(yuǎn)不會(huì)驚訝的是，整個(gè)系統(tǒng)非常精確，而這正是促使我們相信細(xì)胞正在使用他們所能獲得的所有信息的原因。”

細(xì)胞從基因中獲取線(xiàn)索，或者更具體地說(shuō)，從這些基因產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子中獲取線(xiàn)索。但是細(xì)胞是否會(huì)使用所有信息在第一時(shí)間完成所有事情?或者系統(tǒng)是否混亂，在對(duì)胚胎造成不可挽回的傷害之前修復(fù)了錯(cuò)誤?

問(wèn)題恰恰是生物學(xué)家和物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)自21世紀(jì)初以來(lái)一直在共同努力解決的大局問(wèn)題。

這要感謝團(tuán)隊(duì)成員埃里克Wieschaus，在施貴寶教授在分子生物學(xué)和教授以前的工作的分子生物學(xué)和劉易斯西格萊爾研究所綜合基因組，科學(xué)家們知道哪些基因和分子參與創(chuàng)建跨標(biāo)記段胚胎條紋蠅幼蟲(chóng)。如果出現(xiàn)任何問(wèn)題，條紋形成在錯(cuò)誤的地方或根本不形成。

“該實(shí)驗(yàn)定義了第一個(gè)真正定量的衡量細(xì)胞可用于關(guān)鍵發(fā)育決策的信息量以及他們實(shí)際使用的信息量，”Wieschaus說(shuō)，他是霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所的研究員并獲得1995年諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng)?；蜥t(yī)學(xué)從事早期胚胎發(fā)育的遺傳控制工作。

“這為我們提供了一個(gè)神奇的工具，可以幫助我們了解生物學(xué)決策的實(shí)際效果，從蛋白質(zhì)結(jié)合DNA的方式到新的生物學(xué)途徑如何在進(jìn)化過(guò)程中產(chǎn)生和競(jìng)爭(zhēng)等方面都很有用，”他說(shuō)。

Mariela Petkova是這項(xiàng)研究的共同第一作者，當(dāng)她接受細(xì)胞利用遺傳和分子信息如何找到它們的位置和命運(yùn)的問(wèn)題時(shí)，她是Gregor實(shí)驗(yàn)室的一名本科生。

“我們認(rèn)真地認(rèn)識(shí)到，在發(fā)育中的胚胎細(xì)胞需要”知道“它們的位置，以便做出正確的發(fā)育決策，”Petkova，2012年的類(lèi)別說(shuō)。“可以想象細(xì)胞作為GPS裝置，而不是衛(wèi)星信號(hào)收集分子來(lái)確定它們的位置。我們能夠解釋這些分子信號(hào)如何指定早期飛胚胎長(zhǎng)度的位置。“

科學(xué)家們?cè)缇椭?，條紋是由一系列步驟形成的，這些步驟始于蒼蠅母親，她們將每種雞蛋塞入由三種不同信號(hào)分子構(gòu)建的指令集中。

這些信號(hào)分子通過(guò)胚胎的身體傳播，形成濃度梯度，激活四個(gè)所謂的“間隙”基因。這些基因的表達(dá)產(chǎn)生蛋白質(zhì)分子，這些蛋白質(zhì)分子作用于被稱(chēng)為增強(qiáng)子的DNA片段，以驅(qū)動(dòng)“配對(duì)規(guī)則”基因產(chǎn)生條紋圖案。

Petkova詳細(xì)測(cè)量了間隙基因表達(dá)以及沿著長(zhǎng)體軸在細(xì)胞中產(chǎn)生的分子的確切數(shù)量。她作為高級(jí)論文的一部分開(kāi)始研究，然后推遲到研究生院學(xué)習(xí)一年，繼續(xù)從事該項(xiàng)目。她在哈佛大學(xué)生物物理學(xué)研究生課程學(xué)習(xí)期間完成了這項(xiàng)工作。

通過(guò)這些測(cè)量，團(tuán)隊(duì)的理論物理部分能夠模擬細(xì)胞如何使用信息來(lái)找到它們?cè)谂咛ブ械奈恢谩Ｔ搱F(tuán)隊(duì)包括共同第一作者GašperTka?ik，他獲得了博士學(xué)位。2007年在普林斯頓大學(xué)物理系，現(xiàn)在是奧地利科學(xué)技術(shù)研究所的一名教員。

細(xì)胞可以通過(guò)多種方式使用分子中編碼的信息。但研究人員選擇假設(shè)胚胎利用分子中編碼的所有可用信息。他們稱(chēng)之為“最佳解碼方法”。

根據(jù)這一假設(shè)，Tka?ik和Bialek使用相對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)方法來(lái)預(yù)測(cè)條紋的形成位置。然后，研究小組將預(yù)測(cè)結(jié)果與間隙分子的實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)他們已經(jīng)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了條紋的位置。

真正的證據(jù)來(lái)自于Petkova研究了果蠅產(chǎn)生的卵，這些果蠅在編碼級(jí)聯(lián)起始的母體信號(hào)分子的基因中具有突變。該團(tuán)隊(duì)精確地預(yù)測(cè)了各種基因突變?nèi)绾胃淖儣l紋圖案 - 例如，使一些條紋消失或形成在錯(cuò)誤的位置。

“我們利用遺傳操作來(lái)改變間隙基因模式，并'欺騙'細(xì)胞進(jìn)入'思考'，它們就是胚胎長(zhǎng)度的其他部分，”Petkova說(shuō)。“我們通過(guò)我們的解碼器和構(gòu)建的解碼圖將這些混洗模式放在一起，它們告訴我們細(xì)胞在哪里與他們認(rèn)為的位置相比。使用這些圖譜我們預(yù)測(cè)了胚胎在哪里形成條紋。當(dāng)我們?cè)陲@微鏡下觀(guān)察這些突變胚胎時(shí)我們實(shí)際上在預(yù)測(cè)的位置找到了條紋!這非常令人滿(mǎn)意。“

這組作者說(shuō)，這項(xiàng)研究得出的問(wèn)題是，是否有可能從理論原則出發(fā)對(duì)生物系統(tǒng)做出有力的預(yù)測(cè)。

“這一發(fā)現(xiàn)讓我們理論家們希望我們?cè)谏飳W(xué)方面的工作不會(huì)永遠(yuǎn)降級(jí)為從數(shù)據(jù)中擬合模型，而是實(shí)際預(yù)測(cè)和定量理解為什么進(jìn)化會(huì)出現(xiàn)某些解決方案，”Tka?ik說(shuō)。“至少在少數(shù)幾個(gè)案例中，這可能會(huì)產(chǎn)生一種'生物學(xué)預(yù)測(cè)理論' - 這是未來(lái)工作的良好動(dòng)力。”

Bialek補(bǔ)充說(shuō)：“現(xiàn)代物理學(xué)的一個(gè)標(biāo)志是，一般的理論原理可以與精確定量細(xì)節(jié)的實(shí)驗(yàn)聯(lián)系起來(lái)，”他說(shuō)。“長(zhǎng)期以來(lái)很難想象生物系統(tǒng)物理學(xué)中的這種理論 - 實(shí)驗(yàn)相互作用 - 生物似乎過(guò)于復(fù)雜，太混亂。這項(xiàng)工作是我見(jiàn)過(guò)的理論 - 實(shí)驗(yàn)比較中最有力的例子之一。我一直希望我們達(dá)到這個(gè)水平，但我不知道什么時(shí)候會(huì)發(fā)生。“

Wieschaus補(bǔ)充說(shuō)：“大多數(shù)科學(xué)家傾向于認(rèn)為生物過(guò)程本質(zhì)上是草率的，細(xì)胞通過(guò)多個(gè)糾正步驟和復(fù)雜的交互網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)精確。這些過(guò)程肯定存在。然而，令我驚訝的是，信息的準(zhǔn)確性和可重現(xiàn)性如何在開(kāi)發(fā)的一個(gè)步驟中，一旦有了這些信息，進(jìn)化和自然選擇如何促使細(xì)胞最大限度地有效利用這些信息。“

果蠅(Drosophila melanogaster)經(jīng)常被用來(lái)學(xué)習(xí)生物學(xué)的一般原理，這些原理可能適用于更復(fù)雜的生物，如人類(lèi)。格雷戈?duì)栒f(shuō)，除果蠅以外的其他生物是否堅(jiān)持這種信息的最佳利用還有待觀(guān)察。

“這項(xiàng)研究讓我們看看遺傳網(wǎng)絡(luò)如何編碼信息，網(wǎng)絡(luò)如何協(xié)同工作，以及他們?nèi)绾芜M(jìn)行計(jì)算，”格雷戈?duì)栒f(shuō)。“生物學(xué)中有各種各樣的遺傳網(wǎng)絡(luò)，所以這肯定是進(jìn)一步探索的一個(gè)豐富領(lǐng)域。”