過去100年來，生物學家一直想知道是什么決定了
細胞的大小。在近代，雖然科學家們知道了大部分控制細菌細胞周期和細胞分裂的分子，但仍不知道細菌細胞的大小是如何確定的。
5月18日，中國科學院深圳技術研究院（以下簡稱中科院深圳院）、深圳合成生物學創(chuàng)新研究院劉陳立研究團隊以大腸桿菌為模式生物，揭秘了細菌大小的決定因素，相關成果發(fā)表于《自然—微生物學》。該研究推導出了全新的“個體生長分裂方程”，修正了該領域原有的兩大生長法則，并對合成生物學領域生命體理性設計提供了相關建構基礎原理。
每種細菌都有各式各樣的可遺傳繼承的大小，這些微小細胞的體積有時可以相差106-108倍，當然，較大的細菌是極少數的，大多數已知細菌的直徑在0.4至2微米之間，長度在0.5至5微米之間。細菌的大小不僅呈現(xiàn)多樣化，而且很穩(wěn)定。即使在溫度高達100度以上的熱液口、鹽濃度高達5摩爾的鹽湖、離子放射性強度超過人類致死劑量1000倍等條件下，這些環(huán)境中的細菌細胞仍然保持特定大小。
長久以來，細菌的大小一直是細菌分類學中一個不可缺少的性狀，同時特定的大小使得細菌能適應其生存環(huán)境。那么細菌的大小究竟是怎么決定的？。
一測到底 展開三年漫長研究
早在上世紀50年代，美國科學家Schaechter等發(fā)現(xiàn)細菌細胞長得越快，細胞就越大。為重要的是，該研究突破性地用一個數學公式描述了細菌細胞生長速度和細胞大小之間的定量關系，即是說只要知道細胞生長快慢，就可以準確推斷出細胞大小，反之亦然。這一公式后被稱為"SMK生長法則"。
那么，細胞大小和生長速度為什么存在這樣的關系呢？1968年，Donachie在《自然》雜志上發(fā)表了他的觀點。他認為，細胞大小決定了細胞內DNA何時開始新一輪復制。當細胞進入復制階段時，細胞大小和復制起點數的比值是恒定不變的。這一比值被稱為“起始質量”，且“起始質量”與生長速率無關。開始新一輪DNA復制后，經過恒定的時間周期，細胞分裂。
由于細胞是指數生長，起始質量及時間周期恒定，因此分裂時細胞的大小與生長速率的指數次方成正比。這一觀點很好的契合了SMK生長法則，回答了“細菌大小是怎么決定的”這一基礎科學問題，被稱為“恒定起始質量假說”。
這兩個統(tǒng)治了學術界半個世紀的生長法則環(huán)環(huán)相扣，就像科研道路上的“指路牌”，在該領域樹立權威六十年，多年來許許多多的研究在兩大法則的指引下開展；也有一些研究團隊對這兩個法則的準確性提出過質疑，但由于缺乏系統(tǒng)全面的實驗數據，相關結論并未引起領域內大部分研究人員的重視。要想修正主流細胞生長法則，必須要確保實驗數據完整的覆蓋度以及高度的可重復性，劉陳立團隊潛心研究3年多，對兩大法則進行了系統(tǒng)性重復實驗。
“通常該類研究會選取1種或少數幾種
培養(yǎng)基，而我們選擇了超過30種培養(yǎng)基開展實驗，我們采用早晚輪班制，對細胞的生長狀態(tài)進行實時監(jiān)控，以確保每次取樣都是在細胞穩(wěn)定狀態(tài)下進行的，”該文章的作者鄭海博士介紹說，“在低生長速率條件下，完成一次實驗所需時間長達一周，而為確保數據可靠，實驗還需要重復，重復次數多的超過9次以上。”這是迄今為止有報道的類似研究工作中選用培養(yǎng)基種類多、覆蓋生長速率范圍廣的一次。
帶著極大的耐心和嚴謹的態(tài)度，團隊終發(fā)現(xiàn)，原有的兩大法則并不準確，被奉為經典的“指路牌”可能將大家的研究引向了偏離的方向。“雖然生長速度越快，細胞越大，但二者之間的關系并不符合SMK生長法則的預期”，該文章通訊作者劉陳立研究員說，“按照法則描述，無論細胞生長快慢，一旦達到‘起始質量’，就應該開始新一輪的DNA復制，然而，我們卻在實驗中觀察到，細菌細胞沒有遵循假說，不同培養(yǎng)條件下，‘起始質量’有高有低。”
如果兩大法則并不準確，那么細菌大小是怎么決定的呢？我們能否修正“指路牌”呢？
玩轉數據 推導全新定量關系
為了回答“細菌大小是怎么決定的”這一科學問題。劉陳立這樣描述實驗數據分析的過程：“要和數據呆在一起，揣摩它。”研究團隊通過尋找大量科研實驗數據背后的量化關系，終推演出一個全新且適用于不同生長速率條件的“個體生長分裂方程”。
新的方程統(tǒng)一了不同生長速率條件下的細菌細胞周期調控機制，這一定量公式的提出也使得細菌個體大小、生長速率等自然現(xiàn)象具有了一定的可預測性，例如：當得知細菌生長速率和DNA復制周期，便可準確預測出細菌的大小。該分裂方程為研究人員提供了新的研究范式和思維方法，解答了細菌細胞大小和DNA復制周期以及生長速度之間的關系，具有廣泛應用價值。
“個體生長方程”對理解細菌細胞周期的控制機制有什么意義呢？在“個體生長方程”的約束下，研究團隊對細菌細胞分裂的控制機制進行了探討。并以此為基礎提出了一個全新的分子機制假說，認為存在一種“分裂許可物”，它與“細胞生長”和“染色體復制分離”相關。當它積累達到一定閾值時，細胞就會分裂。研究團隊在此基礎上建立了相應的數學模型，進一步的實驗驗證了理論預測。
從數學公式到建構生命體理性設計基礎
在物理世界，“伯努利方程”指導了飛機的設計，“阿基米德浮力定律”推動了潛艇的面世，“牛頓第二定律”是人類得以翱翔太空的理論基石，合成生物學的終極目標就是生物世界實現(xiàn)理性設計、改造現(xiàn)有生命形式或者創(chuàng)造全新的生命形式以滿足人類不同的需求。
以“合成生物學”為研究導向，劉陳立團隊繼去年揭示細菌群體遷徙公式后，在定量生物學領域再度實現(xiàn)突破，“研究再次證實了定量的思維方法在生命科學研究中的重要性，我們找到的每一個運行規(guī)律，都是試圖找到可用于指導設計、改造、重建生命形式的‘圖紙’。”劉陳立表示。此次對細菌個體細胞相關定量規(guī)律和法則的基礎科學問題研究，對人類揭示并理解生命體內在原理提供了重要的參考依據，此研究也有助于未來合成生物學領域的理性設計和建構，以滿足細菌治療疾病、抗生素替代、綠色生物制造等多個應用層面的需要。
原創(chuàng)作者：上海遠慕生物科技有限公司
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