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細菌群體遷徙進化實驗示意圖。
在人類與癌癥抗爭的過程中，以Coley毒素為代表的腫瘤細菌療法已有100多年的歷史，但這一療法治療效果不穩(wěn)定，且存在安全問題，如何精確控制細菌的生長和定植，成為了提升該療法療效必須攻克的核心難題。
在重大研究計劃“微進化過程的多基因作用機制”資助下，中科院深圳先進技術(shù)研究院研究員劉陳立帶領(lǐng)的團隊揭示了細菌生長定植的定量和進化規(guī)律，并有效地指導(dǎo)了人工抗腫瘤細菌設(shè)計。
研究團隊以大腸桿菌為模型，發(fā)現(xiàn)細菌在空間擴張過程中，每個種群都有自己獨特的“擴張策略”。這些小細菌根據(jù)各自想占領(lǐng)的空間面積及位置，調(diào)控自己的遷徙和生長速度，最終構(gòu)成各占一隅的穩(wěn)定格局。
在進一步的進化實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，科研人員總結(jié)出一個簡潔的群體空間定植方程，其中包括穩(wěn)定的遷移速率、定植空間大小、生長速率等常數(shù)。根據(jù)該定量方程，在已知空間大小的條件下，便能算出細菌遷徙進化的最優(yōu)策略。
在基于這一方程的動力學(xué)模擬中，研究團隊發(fā)現(xiàn)過快的遷移速率會使種群變得不穩(wěn)定，容易被遷移速率小的種群入侵。
這一定量規(guī)律能夠為合成細菌空間定植的設(shè)計與構(gòu)建提供基礎(chǔ)理論指導(dǎo)。研究人員通過構(gòu)建5株遷移速率不同、生長速率相同的菌株在空間不同區(qū)域的自發(fā)性定植，證實了這一推測：如果要合成穩(wěn)定有序的人工生態(tài)系統(tǒng)，只需要“約束”細菌個體的運動和生長之間的定量關(guān)系，就可以讓不同種群有序且穩(wěn)定地分布在空間不同區(qū)域。
研究結(jié)果表明，通過構(gòu)建合成基因線路改造細菌，對腫瘤的生長有顯著的抑制效果，有助于實現(xiàn)細菌細胞在實體瘤內(nèi)生長的精準控制，有效消除實體瘤。同時，科研人員發(fā)現(xiàn)，合成工程菌對腫瘤浸潤巨噬細胞基因表達有影響，在利用細菌作為載體將光熱納米顆粒遞送到小鼠腫瘤的實驗中，研究團隊實現(xiàn)了細菌與光熱納米顆粒的聯(lián)合治療。
該研究為闡明細菌治療過程中腫瘤細胞和細菌的共進化模式提供了強有力的數(shù)據(jù)支持，并為有效合理地利用細菌治療腫瘤提供了科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。目前，相關(guān)成果已獲得多項專利且逐步實施轉(zhuǎn)化應(yīng)用。（甘曉 蔣程）
（本版圖片均由研究團隊提供）
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