从斑马条纹到叶脉网络，生物斑图是生命体通过自组织形成的时空有序结构，揭示着基因调控、环境适应与物理规律的深层耦合。这些非均匀的微观图案既承载着物种演化的生存策略，也暗含发育程序的精密逻辑。生物斑图不仅能展现生命系统的复杂性，还在生物发育、生态适应和疾病进展等领域发挥着关键作用。

然而，尽管生物斑图在自然界广泛存在，其形成机制仍然是未解之谜。

4月5日，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傅雄飞团队在《美国科学院院刊》发表最新成果，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，为理解生物斑图的形成机制提供了新视角。

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。科研团队通过定量成像及空间分辨转录组学技术，深入分析了菌落内部的微环境异质性。研究发现，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，使得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，生长速率较慢，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。

此外，研究团队还发现，细菌基因表达的随机性在菌落模式的形成中也起到了关键作用。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（如从红色状态变为绿色状态），这种随机状态也会像滚雪球一样传递到后续分裂的细胞上，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完全营养均衡的环境中，这种由基因表达“噪音”引发的微小波动，也能打破菌群整体的平衡，使细菌通过自组织行为产生复杂的空间斑图。

传统上，生物斑图的形成往往被归因于复杂的基因调控网络或细胞间信号传导，而该研究表明，即使在没有复杂调控机制的情况下，简单的物理化学作用（如营养扩散、消耗和反应动力学）也能通过时空耦合产生复杂的斑图。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。

研究团队基于“多尺度”系统解析空间扩张复杂框架，揭示了背后的普适性规律，并探讨了基因与表型之间的非线性关系，深化了对生物形态、功能、生物多样性及适应性进化的认知。

研究人员表示，定量合成生物学通过定量解析与合成重构相结合的研究范式，有望推动生命科学研究从定性、描述性、局部性研究，向定量、理论化和整体化研究变革。

“我们致力于践行这种研究范式，通过量化实验和数学模型增加对生命体系的理解，并应用合成生物学技术解析生命系统机制。”论文通讯作者、深圳先进院研究员傅雄飞说。

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

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