解析空间进化规律 开发SPACE系统
此前，刘陈立团队在细菌迁徙定植研究中取得了重大突破。研究团队经过5年时间的大量实验反复研究细菌空间迁徙与进化过程，揭示了物种空间定植的进化稳定性策略及定量规律，为定量合成生物学、生态学等提供了全新的理论指导和启示。相关成果于2019年发表于《自然》。
“源于细菌迁徙定植的研究灵感，我们发现不同的突变体在群体迁移的过程中会相互竞争优势空间，最终使它们占据了空间上的不同位置，从而实现了不同突变体在空间上的分离”，论文通讯作者刘陈立介绍，目前的连续定向进化方法都采用均匀混合的液体体系，对有益突变体的筛选只能通过依赖其生长能力的优势，经过一定时间段的积累，使其获得在群体中的主导地位。
是否能让不同的突变体之间自发分离，使筛选过程变得更容易？
SPACE系统在PACE系统基础上，利用细菌 －噬菌体共迁移实验体系，使原本没有运动能力的噬菌体能够被处于空间扩张运动过程中的细菌携带，并广泛传播。该共迁移实验体系与连续培养系统的相似性，将原本体积庞大且需要较复杂控制的液体连续培养装置替换成了普通生物实验室中最为常见的软琼脂平板。
“我们首先基于经典的传染病模型建立了空间扩张系统的宿主感染模型，定量解析了细菌 －噬菌体共迁移实验体系的进化动力学规律，发现了不同强度的噬菌体突变体能够在空间上出现自发的分离。基于这个定量发现，我们设计开发了SPACE系统。”论文通讯作者傅雄飞介绍道。
也就是在这样一块小小的平板上， S PACE系统能够利用突变体之间对优势空间的竞争，实现不同强度突变体之间自发的分离，从而能比均匀混合的液体系统更高效地完成筛选过程。与此同时，进化的成功与否能够直接通过布满平板表面的细菌表层上肉眼可见的噬菌体感染区域的大小来进行判断，无需借助其他荧光或化学发光等指示信号的检测设备。
在空间系统中如何实现对噬菌体感染动态过程的控制、以及对进化初始条件的选择是研究过程中的较大难点。相较于研究团队前期建立的细菌空间扩展系统，噬菌体的加入使实验体系变得更加复杂。在缺乏理论指导的情况下，实验结果可能由于初始条件的细微变化而产生较大差异，导致进化不能向着需要的方向进行。
为了解决这一问题，研究团队根据丝状噬菌体慢性感染的特性，提出了区别于其他团队所提出的基于烈性噬菌体感染模型的新模型。并通过对噬菌体感染过程中噬菌体自身的复制动态、对宿主细菌生长的影响、以及噬菌体感染区域面积变化等过程进行大量的定量实验，测定出其中的关键参数用于完善模型。
由此建立的定量理论模型，能够用于预测在采用初始不同强度的基因元件时系统能够产生的效果，辅助系统中基因线路的设计。