一个典型的细菌基因组包含4000多个基因，它们编码细胞生存所需的所有蛋白质。细胞如何知道每种蛋白质在日常功能中需要多少呢?

麻省理工学院生物学副教授Gene-Wei Li正试图回答这个问题。作为一名训练有素的物理学家，他使用全基因组测量和生物物理建模来量化细胞的蛋白质生产，并发现细胞如何实现对这些数量的精确控制。

利用这些技术，李发现细胞似乎严格控制它们产生的蛋白质的比例，而且这些比例在不同类型的细胞和不同物种之间是一致的。

李说:“从物理学的背景来看，这些细胞已经进化得非常精确地制造出正确数量的蛋白质，这让我感到惊讶。”“这一观察结果之所以能够实现，是因为我们能够设计出与生物学中实际发生的情况相匹配的精确测量方法。”

从物理学到生物学

李的父母——他的父亲是在台湾一所大学任教的海洋生物学家，他的母亲是一名植物生物学家，现在经营着一个高中生科学夏令营——把他们对科学的热爱遗传给了李，他出生在圣地亚哥，而他的父母在那里读研究生。

李两岁时全家回到台湾，很快李就对数学和物理产生了兴趣。在台湾，学生在高中时就选择了大学专业，所以他决定在国立清华大学学习物理学。

在大学期间，李宇春被光学物理和光谱学所吸引。他去了哈佛大学读研究生，一年后，他开始在一个实验室工作，研究生物系统的单分子成像。

“我意识到，在学科之间的边界上，有很多真正令人兴奋的领域。这是我们在台湾没有的东西，那里的院系非常严格，物理是物理，生物是生物，”李说。“生物学比物理学要复杂得多，我有些犹豫，但我很高兴看到生物学确实有你可以遵守的规则。”

在他的博士研究中，李使用单分子成像技术研究了一种叫做转录因子的蛋白质，具体来说，就是它们与DNA结合并开始将DNA复制成RNA的速度有多快。尽管他从未上过生物学课，但他开始对生物学有了更多的了解，并决定在加州大学旧金山分校(University of California at San Francisco)攻读博士后，他在细胞和分子药理学教授乔纳森·韦斯曼(Jonathan Weissman)的实验室工作。

韦斯曼现在是麻省理工学院的生物学教授，在转向生物学之前，他也曾是一名物理学家。在Weissman的实验室里，Li开发了研究细菌细胞中基因表达的技术，使用高通量DNA测序。2015年，李斌加入麻省理工学院，在那里他的实验室开始研究可用于测量细胞基因表达的工具。

当基因在细胞中表达时，DNA首先被复制成RNA, RNA将遗传指令传递给核糖体，蛋白质在核糖体中组装。李的实验室已经开发出了测量细胞中蛋白质合成速度的方法，以及从不同基因转录的RNA的数量。总之，这些工具可以精确测量特定基因在给定细胞中的表达量。

李说:“我们以前有定性工具，但现在我们可以真正拥有定量信息，了解有多少蛋白质被制造出来，以及这些蛋白质水平对细胞有多重要。”

精确控制

利用这些工具，李和他的学生发现不同种类的细菌可以有不同的策略来制造蛋白质。在大肠杆菌中，DNA的转录和RNA转化为蛋白质的过程一直被认为是耦合的，这意味着RNA产生后，核糖体立即将其转化为蛋白质。

许多研究人员认为这对所有细菌都适用，但在2020年的一项研究中，李发现枯草芽孢杆菌和数百种其他细菌使用不同的策略。

“很多其他物种都有我们所说的失控转录，转录发生得非常快，蛋白质不能同时合成。由于这种分离，这些物种有非常不同的调节基因表达的机制。”李说。

李的实验室还发现，在不同物种的细胞中，某些协同工作的蛋白质的比例是相同的。许多细胞过程，如分解糖并将其能量储存为ATP，都是由酶协调的，这些酶按照特定的顺序进行一系列反应。

“事实证明，无论是在大肠杆菌、其他细菌还是真核细胞中，进化给了我们相同比例的酶。”李说。“设计这些路径显然有我们以前不知道的规则和原则。”

导致产生过多或过少蛋白质的突变会导致各种人类疾病。李现在计划研究基因组如何编码控制每种蛋白质正确数量的规则，通过测量基因和调节序列的变化如何影响从转录开始到蛋白质组装过程中每一步的基因表达。

“我们试图关注的下一个层面是:这些信息是如何存储在基因组中的?他说。“你可以很容易地从基因组中读出蛋白质序列，但仍然不可能知道会产生多少蛋白质。这就是新篇章。”

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。