生物體在發育過程中通常會形成多種多樣的圖案或結構，如胚胎早期發育中出現的有層次的細胞層，由不同色素細胞組成的動物皮膚花紋等。理解這些生物圖案或結構是如何形成的，長久以來是生物學最基本的科學問題之一。香港大學李嘉誠醫學院(港大醫學院)生物醫學學院與其他大學科研團隊合作，在人工構建的多細胞生物體系中開展生物圖案形成機制的研究，揭示了多細胞群體通過相互調控運動產生自組織的基本原理及生物圖案形成的一般規律，為理解生物發育提供了新的見解。相關研究成果已刊登於科學期刊《自然-物理》。
研究團隊利用合成生物學手段來構建人工生物系統，而非研究自然存在的生物體。利用大腸桿菌作爲模式生物，研究團隊在兩群细胞間設計了人工的信號通路，使得它們通過感受對方的局部密度調控彼此的運動能力。將兩種互相增强對方運動的細胞混合並點種於半固體培養基後，原本均匀混合的兩種細胞群體趨向於分離，並形成規律的條纹圖案，在這個圖案中兩種細胞以同心圓的形式交替出現。研究團隊隨後通過重新設計信號通路，進而使得兩種細胞群體在感知對方密度後互相抑制對方的運動。有趣的是，混合細胞群體在培養基中也形成了類似的同心圆圖案，然而在該模式下，兩種細胞群體則始终聚集在一起。爲了解釋上述圖案形成背後的原理，研究團隊建立了理論模型進行研究電腦模擬產生的圖案。在定性和定量上幾乎與實驗結果一致。
生物從單細胞發育為一個成熟的個體是一個複雜但有序的過程。這一過程涉及到細胞分化為不同類型的細胞，並在空間中通過相互協調形成有序的身體結構。例如，在斑馬魚中，不同類型的色素細胞精確排佈形成彩色皮肤條紋。領導此研究的港大醫學院生物醫學學院教授、慧賢慈善基金教授(生物醫學)黃建東表示，研究證明了運動行爲的相互調控是一種新的自組織方式和多細胞生物體系形成圖案的一般規律。這一機制可解釋不同的細胞群體如何在沒有外界預先存在的信號指導或人爲干預下，自發的聚集和分離。這是形成更複雜生物圖案或身體結構的先決條件。這一發現可以啓發大家去探索自然界中運動細胞的生物圖案形成是否存在類似的情況。從工程的角度來説，亦可爲今後的組織工程和再生醫學提供指導。
