臨界態(tài)在復(fù)雜系統(tǒng)中廣泛存在蜒滩，其特點(diǎn)是小改變能引起雪崩式的大變化倒谷。Nature Communications 7 月的論文“在活細(xì)胞中設(shè)計(jì)自組織臨界態(tài)”写隶，首次通過(guò)合成生物學(xué)，在大腸桿菌中使用兩個(gè)基因相互調(diào)控帚屉，再現(xiàn)了臨界狀態(tài)谜诫。

1. 自組織臨界并不陌生

夏日孩子們?cè)谏碁┥贤嫠＃３６殉鲈絹?lái)越大的沙丘攻旦。當(dāng)沙丘堆積時(shí)喻旷，沙丘斜坡角度會(huì)達(dá)到一個(gè)臨界點(diǎn)，一旦到達(dá)這個(gè)臨界點(diǎn)牢屋，繼續(xù)堆積沙子會(huì)導(dǎo)致沙丘以雪崩的形式向下滑落且预。在滑落前的最高點(diǎn)，沙堆處于有序與失穩(wěn)之間的臨界狀態(tài)烙无。

圖1. 處于臨界態(tài)的沙堆示意圖

在沙堆模型中锋谐，通過(guò)向沙堆以速率η添加沙礫，沙堆傾角θ變大截酷，剛開(kāi)始只有少量沙粒落下铐懊，但隨著傾角θ接近臨界角θc屹培，沙粒數(shù)量S迅速增加岸晦，直至θ=θc時(shí)，再加入的沙子會(huì)造成雪崩式的崩塌歧蕉，造成沙墩傾角θ變小，重新回到臨界態(tài)康铭，下圖描述了其反饋回路。 3

圖2. 沙堆模型中序參量（S）與控制參量（θ）構(gòu)成的反饋圖

自組織臨界性赌髓，由 Per Bak 从藤、湯超、Wiesenfeld在1987年提出锁蠕，該原理指出夷野，系統(tǒng)元素之間的微小相互作用，會(huì)在沒(méi)有外界介入的情況下荣倾，自然地到達(dá)臨界點(diǎn)悯搔。在這個(gè)臨界點(diǎn)上，一件微小的事件可以產(chǎn)生災(zāi)難性的反應(yīng)舌仍。自組織臨界性能在金融市場(chǎng)妒貌、交通體系等復(fù)雜系統(tǒng)中觀察到。

細(xì)胞中的生化反應(yīng)铸豁，大腦中的神經(jīng)元激活灌曙，計(jì)算機(jī)的通訊網(wǎng)絡(luò)，密封群落节芥，這些系統(tǒng)都處在混亂和失穩(wěn)之間的臨界態(tài)在刺。生活在臨界點(diǎn)附近具有適應(yīng)性優(yōu)勢(shì)，例如能更高效地處理信息头镊，以迅速響應(yīng)環(huán)境變化蚣驼。因此，一個(gè)系統(tǒng)可以通過(guò)所謂的自組織臨界性（self-organized criticality 相艇，SOC）使自己穩(wěn)定在臨界點(diǎn)附近颖杏。

2. 單細(xì)胞層面的自組織臨界態(tài)

臨界態(tài)作為多細(xì)胞認(rèn)知系統(tǒng)的關(guān)鍵，能否出現(xiàn)在單細(xì)胞中厂捞？現(xiàn)有研究指出输玷，在細(xì)胞水平上，酶網(wǎng)絡(luò)可能處于臨界態(tài)靡馁，以提升其對(duì)刺激的適應(yīng)能力欲鹏。該研究構(gòu)建了一個(gè)簡(jiǎn)單的雙基因網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)設(shè)計(jì)細(xì)胞內(nèi)部基因表達(dá)和調(diào)控參數(shù)之間的相互作用臭墨，成功地讓活細(xì)胞（細(xì)菌）進(jìn)入了自組織臨界態(tài)赔嚎，找出了在構(gòu)成自組織臨界態(tài)所需的最小條件。同樣的方法也可用于實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，如改善抗結(jié)直腸腫瘤藥物的輸送尤误。

該研究中的大腸桿菌包含GFP-lva基因侠畔，該基因會(huì)被表達(dá)為蛋白σ，而蛋白σ又會(huì)被細(xì)胞內(nèi)的蛋白水解機(jī)制（ClpXP）降解损晤，從而影響GFP-lva基因表達(dá)量软棺。其調(diào)控機(jī)制如下圖所示：

圖3. 合成的細(xì)胞所具有的調(diào)控機(jī)制

基因表達(dá)率η（橫軸變量）較高時(shí)，細(xì)菌會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的蛋白質(zhì)尤勋，處于擁擠狀態(tài)（下圖中淺綠色的部分）喘落，而如果基因表達(dá)率較低，則細(xì)菌處于自由狀態(tài)最冰。通過(guò)調(diào)整基因表達(dá)率η瘦棋，可確定劃分臨界狀態(tài)與擁擠狀態(tài)的臨界表達(dá)率ηc，此時(shí)細(xì)菌處于自組織臨界態(tài)暖哨，在該位置赌朋，任何一點(diǎn)小的變化都會(huì)對(duì)環(huán)境中蛋白質(zhì)σ的濃度有顯著影響。

圖4. 大腸桿菌由GFP-lva基因表達(dá)率η改變確定的臨界態(tài)位置

在大腸桿菌中篇裁，引入另一個(gè)同樣競(jìng)爭(zhēng)ClpXP的蛋白質(zhì)沛慢，會(huì)促成一個(gè)類(lèi)似沙堆模型的反饋回路，從而形成自組織臨界態(tài)茴恰，下圖是該研究中雙基因組成的調(diào)控模型示意圖颠焦。

圖5. 兩基因組成的負(fù)反饋回路（e），σ1作為序參量往枣，σ2作為控制參量（f）

3. 自組織臨界對(duì)合成生物學(xué)的意義

自然界中普遍出現(xiàn)的自組織臨界現(xiàn)象伐庭，隱藏著生物之所以能高效且穩(wěn)定運(yùn)行的秘密。酶網(wǎng)絡(luò)在底物輸入速率與酶網(wǎng)絡(luò)的處理能力相平衡時(shí)分冈，呈現(xiàn)臨界態(tài)圾另，從而形成適應(yīng)性優(yōu)勢(shì)。但對(duì)于達(dá)成臨界態(tài)所需的最小條件仍不明確雕沉，該研究指出了實(shí)現(xiàn)臨界態(tài)所需的基因網(wǎng)絡(luò)中的最小模體集乔。

生物計(jì)算指通過(guò)活細(xì)胞中的生化反應(yīng)來(lái)進(jìn)行信息處理任務(wù)，該研究設(shè)計(jì)的處在臨界態(tài)的細(xì)胞坡椒，能夠放大生物計(jì)算中的信號(hào)幅度扰路，迅速形成雪崩式的信號(hào)傳導(dǎo)，從而增強(qiáng)生物計(jì)算相關(guān)應(yīng)用發(fā)展倔叼。由于多細(xì)胞認(rèn)知及群體智慧都涉及臨界態(tài)汗唱，該研究可支持未來(lái)相關(guān)領(lǐng)域的研究。同時(shí)丈攒，該研究對(duì)三維空間中細(xì)胞內(nèi)部生化活動(dòng)的物理建模也有所幫助哩罪。