La tecnología de la biología sintética proporciona más métodos de investigación para sistemas vivos complejos.
En otras palabras, cualquier cosa que no se comunique con el mundo exterior inevitablemente cambiará de un estado ordenado a un estado desordenado, de un estado determinado y regular a un estado irregular y caótico.
El principio de aumento de entropía revela la ley última de la evolución de todas las cosas en el universo, pero la vida cambia constantemente el "desorden" en "orden". Schrödinger dijo en "¿Qué es la vida?": "La gente vive en contra de la ley del aumento de entropía y la vida depende de la entropía negativa".
Entonces, cuando las ciencias de la vida se encuentren con la física, habrá una colisión.
Shenghui Synthetic Biology invitó al investigador Fu del Centro de Biología Sintética Cuantitativa, Instituto de Biología Sintética, Instituto de Estudios Avanzados de Shenzhen, Academia de Ciencias de China, a compartir con nosotros su investigación interdisciplinaria en los campos de la física y biología sintética.
Fu se graduó en el Departamento de Física de la Universidad de Zhejiang con una licenciatura y recibió un doctorado en física de la Universidad de Hong Kong. Posteriormente, fue al Departamento de Biología Molecular, Celular y del Desarrollo de la Universidad de Yale para realizar una formación postdoctoral para estudiar el mecanismo de coordinación de la quimiotaxis bacteriana. En 2016, llegó al Instituto de Síntesis para establecer un laboratorio independiente para realizar investigaciones.
La principal dirección de investigación del laboratorio es utilizar métodos cuantitativos de biología sintética para combinar modelos matemáticos con experimentos cuantitativos para estudiar cuestiones básicas en sistemas biológicos, incluido el mecanismo de formación de estructuras ordenadas en sistemas biológicos de expansión espacial.
Fu dijo a Hesheng Biology que el objetivo final de la biología sintética es diseñar y fabricar un sistema vivo basado en la comprensión de los principios de los sistemas vivos. Este proceso no consiste simplemente en combinar ácidos nucleicos, proteínas y otros componentes biológicos, sino en seguir ciertos principios de diseño para que cuando los componentes se combinen en un todo, produzcan funciones que los componentes individuales no tienen, que también pueden denominarse biológico La “aparición” de la funcionalidad. Sin embargo, los principios de diseño de los sistemas vivos aún no se comprenden completamente.
Este también es un problema que debe resolverse en el futuro desarrollo de la biología sintética. En septiembre de este año, en el seminario académico "Biología sintética cuantitativa" (Seminario académico S64 de la Conferencia científica de Xiangshan) celebrado en Xiangshan, Beijing, más de 40 expertos y académicos discutieron la investigación teórica básica, la innovación tecnológica y las aplicaciones de ingeniería de la biología sintética, así como así como el de mi país. Las estrategias de desarrollo en el campo de la biología sintética se discutieron en profundidad y de manera constructiva.
Liu, académico de la Academia de Ciencias de China y director del Instituto de Biología Sintética de la Academia de Ciencias de China y del Instituto de Tecnología de Shenzhen, escribió recientemente un resumen (haga clic para ingresar: China da la bienvenida a importantes oportunidades para el desarrollo de la biología sintética cuantitativa), proponiendo la teoría de la construcción (diseño racional), El sistema de biología sintética en el que la tecnología (capacidad de síntesis) y la ingeniería (plataforma de automatización) se complementan promueve la transformación de la investigación en biología sintética desde lo cualitativo, descriptivo, y de la investigación parcial a la investigación cuantitativa, teórica y holística.
Fu dijo: “La cuestión científica central planteada en la reunión es cómo comprender la generación de funciones vitales y los principios de funcionamiento de los sistemas vitales para lograr un verdadero diseño racional de ingeniería. Los sistemas de vida son en realidad lo mismo que estudiar física. Los sistemas complejos en la ciencia son muy similares."
¿El Premio Nobel de Física 2021 se otorgará a Shu Lang Zhenguo y Klaus? ¿Haselman y George? Parisi fue premiado por "modelar físicamente el clima de la Tierra, cuantificar la variabilidad y predecir de manera confiable el calentamiento global" y "por descubrir la interacción entre el desorden y las fluctuaciones en los sistemas físicos desde escalas atómicas hasta planetarias". Estos dos estudios proporcionan una base teórica para comprender los dos sistemas complejos del clima de la Tierra y el universo.
Los sistemas complejos están llenos de "aleatoriedad" y "desorden", al igual que los sistemas vivos. Fu dijo: "Los sistemas vivos pueden ser uno de los sistemas más complejos de la naturaleza, y muchos investigadores con experiencia en física estadística están recurriendo gradualmente al estudio de los sistemas vivos. La biotecnología sintética puede proporcionar más medios para el estudio de sistemas vivos complejos". /p>
Recientemente, el equipo de Fu publicó un artículo en la revista "eLife", que revela el mecanismo de coordinación de la migración de grupos bacterianos a través de colas ordenadas.
Al igual que la Gran Migración de los animales de África Oriental en el mundo macroscópico, los microorganismos también migran en grupos en el mundo microscópico. Las bacterias pueden rotar sus flagelos y nadar en líquidos. Atraídas por las quimiocinas, las bacterias pueden nadar aleatoriamente en todas direcciones, acercándose lentamente a la dirección con una alta concentración de quimiocinas.
Los diferentes individuos bacterianos tienen diferentes sensibilidades a los atrayentes químicos y, por lo tanto, migran a diferentes velocidades. Cuando las bacterias migran en grupo, las bacterias que no son sensibles a la concentración del atrayente químico no se quedan atrás, aunque están al final del grupo, sino que siguen de cerca a las bacterias sensibles y forman una cola compacta y ordenada. con velocidad.
Anteriormente, el laboratorio de Fu, en colaboración con el laboratorio de Thierry Emonet en la Universidad de Yale, descubrió que esta cola ordenada es importante para la migración de colonias bacterianas. Sin embargo, los movimientos individuales de las bacterias cambian constantemente la dirección de su nado. ¿Cómo se "destaca" una marcha grupal tan ordenada del movimiento desordenado y aleatorio de los individuos?
Para responder a esta pregunta, los investigadores rastrearon los movimientos de cada tipo de bacteria. Los resultados muestran que el movimiento alternativo de una sola bacteria en la población está relacionado con la concentración de quimiocinas, es decir, la concentración de quimiocinas al final de la cola es baja y es más probable que las bacterias sean atraídas por las quimiocinas. al frente y nadar hacia adelante. Cuando las bacterias llegan al frente, pierden impulso porque la concentración del atrayente químico es similar en todas partes.
Es precisamente gracias a este mecanismo que individuos con diferente movilidad pueden convivir armoniosamente en un mismo grupo y avanzar a la misma velocidad media. Además, los investigadores utilizaron la biología sintética para ajustar artificialmente la sensibilidad de las bacterias y verificaron con éxito el papel del mecanismo de coordinación. Este descubrimiento no sólo puede explicar el comportamiento migratorio grupal de muchos organismos, sino que también proporciona una referencia para una cooperación grupal más compleja en la sociedad humana.
Después de más de 20 años de rápido desarrollo, la biología sintética también está experimentando un proceso del "desorden" al "orden". Esto no sólo se refleja en la dirección de la investigación científica, sino también en el diseño de las políticas. , mercado de capitales y muchos otros aspectos. El académico y director Liu también señaló en el artículo que "para promover la investigación aplicada en biología sintética, se debe fortalecer el apoyo interdisciplinario e industrial" y "después de resolver la construcción teórica básica y la verificación de los conceptos técnicos, se debe acelerar el proceso de industrialización".
Fu dijo que la industria de la biología sintética de China aún se encuentra en sus primeras etapas, pero ha mostrado una tendencia de rápido desarrollo. En la actualidad, las industrias relacionadas con la biología sintética de mi país se concentran principalmente en la síntesis de ADN y la biotecnología. materiales a base, aminoácidos y vitaminas, preparaciones de enzimas industriales, etc. Han surgido varias empresas emergentes en campos subdivididos como Kingsley Biotechnology, Kaiser Biotechnology y Huaheng Biotechnology
Después de resolver los aspectos básicos. La construcción teórica y la verificación del concepto técnico, nuestro país tiene una necesidad urgente de acelerar el proceso de industrialización, basándose en modelos innovadores como plataformas de instalaciones automatizadas y "arriba y abajo", el "acoplamiento de doble circuito" impulsa la exploración de la "innovación de proceso completo". cadenas ecológicas" y acelera la formación de barreras tecnológicas en mi país. Dar forma a la capacidad de estar "atascados" y no "atascados"
Por lo tanto, la industria, la academia, la investigación y el gobierno nacionales de China deben integrarse y coordinarse participar en la construcción de capacidades científicas y tecnológicas estratégicas nacionales en el campo de la biología sintética; promover activamente la voz internacional; de las reglas y estándares internacionales de biología sintética, y demostrar la fortaleza científica y tecnológica de la biología sintética de mi país. Con el apoyo y garantía de políticas, * * * Promoverá el sano desarrollo integrado de la biotecnología sintética, la industria y la educación, y en última instancia contribuirá. a la sociedad y la economía social de China.
Fu dijo que en este sentido, la lógica del diseño de investigación del Instituto está impulsada por la demanda y es interdisciplinaria. es decir, enfrentar las principales necesidades del país y el principal campo de batalla económico, y hacer ajustes de acuerdo con las necesidades reales del país y de Shenzhen en diferentes períodos de desarrollo, por otro lado, insistimos en la investigación interdisciplinaria como norma y el establecimiento de Las materias interdisciplinarias se adhieren a la "orientación al problema". Este tipo de diseño de investigación científica es muy diferente de las disciplinas tradicionales de primer y segundo nivel. Es una tendencia multidisciplinaria e integrada. La interdisciplinariedad se vuelve cada vez más obvia. Puede ser resuelta por una sola persona. Los grandes problemas científicos son imposibles y requieren que múltiples disciplinas trabajen juntas, y la biología sintética se ha convertido oficialmente en una disciplina de vanguardia de integración cruzada.
Sobre la base de reunir equipos talentosos, el Instituto de Ciencia y Tecnología Integrales Avanzadas ha construido gradualmente un modelo de cultivo empresarial de cadena completa de "sistema de investigación científica" -Industria de transformación. Un grupo de jóvenes científicos que han regresado de sus estudios y talentos científicos y tecnológicos de vanguardia de las mejores universidades del mundo, como Harvard, Yale y Duke, se han reunido en la plataforma del Instituto de Biología Sintética y han aumentado la fuerza de investigación de la biología sintética de mi país "
.En la actualidad, la construcción general del instituto va por buen camino y se ha formado inicialmente un modelo de "investigación científica + instalaciones + universidad + industria + capital" en Shenzhen. Shenzhen se ha convertido en la ciudad central de la biología sintética en China e incluso en el mundo, y tiene ventajas inherentes en el desarrollo de la industria de la biología sintética.
Escrito al final
En el diseño del instituto, un vínculo importante es el primer Concurso de Biología Sintética (en adelante, el "Concurso") celebrado en China este año. que reúne a los principales coorganizadores La unidad tiene como objetivo derribar el "muro alto" entre la industria y la academia, tiene como objetivo reunir talentos que representen el presente y el futuro, y crear la principal plataforma nacional de incubación de innovación y competencia de biología sintética. En la actualidad, la inscripción al concurso de innovación ha finalizado con la creación del equipo y ha entrado en periodo de experimentación y preparación.
Fu también es juez de esta competencia. Hablando de esta competición, cree que la competición es sólo un punto de partida y que todo el calendario puede ser corto. Por tanto, es necesario hacer un buen trabajo en investigación científica después del concurso y desarrollar proyectos más completos, que ayuden a los estudiantes participantes a emprender el camino de la investigación científica. Además, el concurso también estableció un concurso de emprendimiento para promover la transformación de los resultados de la investigación científica. La inscripción para el Concurso de Emprendimiento está actualmente en curso y la fecha límite es 65438 + 18 de octubre de 2022. Los equipos interesados en participar en el Concurso de Emprendimiento deben registrarse a tiempo.
También espera con interés el surgimiento de algunos proyectos interdisciplinarios, como informática, matemáticas, derecho y filosofía, y espera que surjan más ideas novedosas para promover la innovación en biología sintética.