微生物發育機制中的斑紋生成模式

在多細胞生物中，斑紋生成（Pattern formation）是發育生物學重要的課題。器官發育的過程中，特定基因的表現必須在空間分布上形成特定的斑紋，才能調控細胞在正確的時間和空間中各自分化而形成不同組織。有趣的是，不同類群的生物，或甚至相同生物的不同發育時期中，主導斑紋生成的基因或分子往往各不相同，但同樣的數學原則，卻總是在斑紋生成的機制中，橫跨不同生物領域反覆出現。

既然斑紋生成是超越生物領域的數學原則，那麼是不是也可能在微生物的發育機制中，看到發育生物學教科書裡那種精彩的斑紋生成原則呢？從這個觀點出發，我的實驗室結合細胞活體顯微鏡實驗與數學模型，用跨領域的視角，研究斑紋生成原則在微生物發育機制中的重要功能。我們的研究分為兩個面向：

細胞極性

不同細胞以不同極性模式（cell polarity mode）生長：植物的花粉只朝一個方向長出花粉管，神經細胞形成樹突時卻朝多個方向同時生長。這些迥異的極性模式源自於調控生長的極性蛋白在細胞裡生成不同的斑紋。過去在子囊菌門（Ascomycota）的酵母菌中，我們知道控制極性蛋白斑紋生成的數學原則，是控制貓咪身上形成斑點的圖靈系統（Turing system）。了解極性機制背後的數學之後，我們就能用分子遺傳的方式，控制原本一個細胞週期只長一個芽的酵母菌，像其它真菌菌絲那樣一次朝多個方向生長（Chiou et al., 2021, eLife）。

然而我們更近一步從數學模擬中發現，圖靈系統其實有潛力在不同參數下形成另外兩種生長模式。而遺傳實驗和基因體學數據也顯示，整個子囊菌門共用一套演化上保守的極性分子機制。因此，這些理論預測的極性模式，會不會剛好對應了子囊菌門中其他物種的生長模式呢？我們希望從偏微分方程為主的數學理論出發，結合不同真菌物種中的分子遺傳實驗，試圖用子囊菌門作為範本，建立細胞極性的大一統理論。

生物膜發育

一般教科書對細菌的刻板印象，就是單細胞的生物。但其實大多數的細菌都會形成多細胞的群落，稱為生物膜（biofilm）。儘管生物膜中每一隻細菌都是獨立的個體，生物膜作為一個整體，卻意外地和多細胞生物有許多驚人的相似之處。近年研究即發現，枯草桿菌（Bacillus subtilis）的生物膜內的細菌能以電化學訊號，像神經傳導一般進行遠距離溝通。最新研究更顯示，枯草桿菌生物膜能以類似脊椎動物體節發育（somitogenesis）的斑紋生成原則，以每隻細菌的分子鐘驅動，形成同心圓紋路，並藉此調控細胞分化 （Chou, Lee, Chiou et al., 2022, Cell）。

體節發育的核心機制，是每顆細菌內各自獨立運轉的分子時鐘（molecular clock），然而當一整群細菌裡面每一隻都有自己的分子時鐘的時候，很可能巨觀看起來只是一片雜訊。要形成完整的同心圓紋路，細菌和細菌之間理論上必然存在某種類似整棵樹螢火蟲一起發光的同步（Synchronization）及耦合（coupling）機制。分子鐘之間彼此要怎麼溝通呢？溝通的機制會是電化學訊號嗎？我們希望用活體螢光顯微鏡，解開斑紋生成過程中關鍵的同步機制。

如果你覺得上述研究方向很有趣，而且你有微生物學/細胞生物學/發育生物學學術背景，或有生物物理/數學建模的背景知識，歡迎加入我們！