工程改造细胞切换红绿两种状态，并通过“基因-细胞-群体”跨层次调控，演化出斑图复杂性。科研团队供图

中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室研究员傅雄飞团队通过构建合成基因回路“拨动开关”，阐明了简单双稳态调控系统与微环境时空异质性的共同作用产生生物斑图的普适性机制，实现了多样化生物斑图的精准设计与合成。4月5日，相关研究成果发表于美国《国家科学院院刊》。

细菌菌落呈现的环状、条纹等复杂斑图，本质是基因网络与微环境动态耦合的结果。科研团队采用定量成像及空间分辨转录组学技术，深入分析菌落内部的微环境异质性，发现菌落内部双稳态基因回路“拨动开关”赋予细胞两种稳定状态，而外部营养梯度等时空异质性环境则像“编程指令”，通过局部调控基因表达阈值，驱动不同区域细胞群体切换状态。

研究团队在培养皿中模拟自然环境，使微生物能够在其中吸收生长所需营养。结果显示，菌落外围的细胞由于获得更多营养，倾向于保持绿色状态，而内部的细胞则通过代谢互养方式从外侧细胞获取较低品质的营养，生长速度较慢，并逐渐转变为红色状态。这种由微环境异质性驱动的细胞命运分化，最终形成了菌落的环状模式。

研究还发现，细菌基因表达的随机性在菌落模式的形成中起到了关键作用。在菌落扩展的早期阶段，哪怕只有几个边缘细胞的基因状态偶然切换，如从红色变为绿色状态，这种随机状态也会像滚雪球一样传递到后续分裂的细胞中，最终在菌落外围出现红绿相嵌合的扇区状斑图。更有趣的是，即便所有细菌都生长在营养完全均衡的环境中，这种由基因表达“噪声”引发的微小波动，也能打破菌群整体平衡，使细菌通过自组织行为产生复杂的空间斑图。

该发现为理解胚胎发育早期体轴形成、肿瘤微环境异质性等生物自组织现象提供了新视角。

相关论文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2424112122

（原载于《中国科学报》 2025-04-08 第1版 要闻）