<p>一個典型的細菌基因組包含4000多個基因，它們編碼細胞生存所需的所有蛋白質。細胞如何知道每種蛋白質在日常功能中需要多少呢?</p> <p>&nbsp;</p> <p>麻省理工學院生物學副教授Gene-Wei Li正試圖回答這個問題。作為一名訓練有素的物理學家，他使用全基因組測量和生物物理建模來量化細胞的蛋白質生產，并發(fā)現細胞如何實現對這些數量的精確控制。</p> <p>&nbsp;</p> <p>利用這些技術，李發(fā)現細胞似乎嚴格控制它們產生的蛋白質的比例，而且這些比例在不同類型的細胞和不同物種之間是一致的。</p> <p>&nbsp;</p> <p>李說:&ldquo;從物理學的背景來看，這些細胞已經進化得非常精確地制造出正確數量的蛋白質，這讓我感到驚訝。&rdquo;&ldquo;這一觀察結果之所以能夠實現，是因為我們能夠設計出與生物學中實際發(fā)生的情況相匹配的精確測量方法。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>從物理學到生物學</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>李的父母&mdash;&mdash;他的父親是在臺灣一所大學任教的海洋生物學家，他的母親是一名植物生物學家，現在經營著一個高中生科學夏令營&mdash;&mdash;把他們對科學的熱愛遺傳給了李，他出生在圣地亞哥，而他的父母在那里讀研究生。</p> <p>&nbsp;</p> <p>李兩歲時全家回到臺灣，很快李就對數學和物理產生了興趣。在臺灣，學生在高中時就選擇了大學專業(yè)，所以他決定在國立清華大學學習物理學。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在大學期間，李宇春被光學物理和光譜學所吸引。他去了哈佛大學讀研究生，一年后，他開始在一個實驗室工作，研究生物系統(tǒng)的單分子成像。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我意識到，在學科之間的邊界上，有很多真正令人興奮的領域。這是我們在臺灣沒有的東西，那里的院系非常嚴格，物理是物理，生物是生物，&rdquo;李說。&ldquo;生物學比物理學要復雜得多，我有些猶豫，但我很高興看到生物學確實有你可以遵守的規(guī)則。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>在他的博士研究中，李使用單分子成像技術研究了一種叫做轉錄因子的蛋白質，具體來說，就是它們與DNA結合并開始將DNA復制成RNA的速度有多快。盡管他從未上過生物學課，但他開始對生物學有了更多的了解，并決定在加州大學舊金山分校(University of California at San Francisco)攻讀博士后，他在細胞和分子藥理學教授喬納森&middot;韋斯曼(Jonathan Weissman)的實驗室工作。</p> <p>&nbsp;</p> <p>韋斯曼現在是麻省理工學院的生物學教授，在轉向生物學之前，他也曾是一名物理學家。在Weissman的實驗室里，Li開發(fā)了研究細菌細胞中基因表達的技術，使用高通量DNA測序。2015年，李斌加入麻省理工學院，在那里他的實驗室開始研究可用于測量細胞基因表達的工具。</p> <p>&nbsp;</p> <p>當基因在細胞中表達時，DNA首先被復制成RNA, RNA將遺傳指令傳遞給核糖體，蛋白質在核糖體中組裝。李的實驗室已經開發(fā)出了測量細胞中蛋白質合成速度的方法，以及從不同基因轉錄的RNA的數量?？傊@些工具可以精確測量特定基因在給定細胞中的表達量。</p> <p>&nbsp;</p> <p>李說:&ldquo;我們以前有定性工具，但現在我們可以真正擁有定量信息，了解有多少蛋白質被制造出來，以及這些蛋白質水平對細胞有多重要。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>精確控制</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>利用這些工具，李和他的學生發(fā)現不同種類的細菌可以有不同的策略來制造蛋白質。在大腸桿菌中，DNA的轉錄和RNA轉化為蛋白質的過程一直被認為是耦合的，這意味著RNA產生后，核糖體立即將其轉化為蛋白質。</p> <p>&nbsp;</p> <p>許多研究人員認為這對所有細菌都適用，但在2020年的一項研究中，李發(fā)現枯草芽孢桿菌和數百種其他細菌使用不同的策略。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;很多其他物種都有我們所說的失控轉錄，轉錄發(fā)生得非常快，蛋白質不能同時合成。由于這種分離，這些物種有非常不同的調節(jié)基因表達的機制。&rdquo;李說。</p> <p>&nbsp;</p> <p>李的實驗室還發(fā)現，在不同物種的細胞中，某些協同工作的蛋白質的比例是相同的。許多細胞過程，如分解糖并將其能量儲存為ATP，都是由酶協調的，這些酶按照特定的順序進行一系列反應。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;事實證明，無論是在大腸桿菌、其他細菌還是真核細胞中，進化給了我們相同比例的酶。&rdquo;李說。&ldquo;設計這些路徑顯然有我們以前不知道的規(guī)則和原則。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>導致產生過多或過少蛋白質的突變會導致各種人類疾病。李現在計劃研究基因組如何編碼控制每種蛋白質正確數量的規(guī)則，通過測量基因和調節(jié)序列的變化如何影響從轉錄開始到蛋白質組裝過程中每一步的基因表達。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我們試圖關注的下一個層面是:這些信息是如何存儲在基因組中的?他說。&ldquo;你可以很容易地從基因組中讀出蛋白質序列，但仍然不可能知道會產生多少蛋白質。這就是新篇章。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學態(tài)度觀點。</p> </blockquote>