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(shù)的，大多數(shù)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(shù)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(nèi)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(shù)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(jīng)過恒定的時間周期，細胞分裂。
由于細胞是指數(shù)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(shù)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(shù)據(jù)，相關結論并未引起領域內(nèi)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(shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)可靠，實驗還需要重復，重復次數(shù)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?shù)膽B(tài)度，團隊終發(fā)現(xiàn)，原有的兩大法則并不準確，被奉為經(jīng)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(shù)據(jù) 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(shù)據(jù)分析的過程：“要和數(shù)據(jù)呆在一起，揣摩它。”研究團隊通過尋找大量科研實驗數(shù)據(jù)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?shù)弥毦L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(shù)學模型，進一步的實驗驗證了理論預測。
從數(shù)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(nèi)在原理提供了重要的參考依據(jù)，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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