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　　在近代，雖然科學(xué)家知道了大部分控制細(xì)菌細(xì)胞周期和細(xì)胞分裂的分子，但對(duì)細(xì)菌細(xì)胞的大小是如何確定的仍不清楚。
　　5月18日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院劉陳立團(tuán)隊(duì)以大腸桿菌為模式生物，揭秘了細(xì)菌大小的決定因素。相關(guān)成果論文發(fā)表于《自然—微生物學(xué)》。該研究推導(dǎo)出了“個(gè)體生長(zhǎng)分裂方程”，修正了該領(lǐng)域原有的兩大生長(zhǎng)法則，為合成生物學(xué)領(lǐng)域生命體理性設(shè)計(jì)提供了相關(guān)建構(gòu)基礎(chǔ)原理。
　　追根溯源 展開(kāi)三年漫長(zhǎng)研究
　　早在上世紀(jì)50年代，美國(guó)科學(xué)家Schaechter等發(fā)現(xiàn)細(xì)菌細(xì)胞長(zhǎng)得越快，細(xì)胞就越大，他們突破性地用一個(gè)數(shù)學(xué)公式描述了細(xì)菌細(xì)胞生長(zhǎng)速度和其大小之間的定量關(guān)系，即只要知道細(xì)胞生長(zhǎng)快慢，就可以準(zhǔn)確推斷出大小，反之亦然。這一公式后被稱(chēng)為“SMK生長(zhǎng)法則”。
　　1968年，Donachie在《自然》雜志上對(duì)細(xì)胞大小和生長(zhǎng)速度為什么存在上述關(guān)系進(jìn)行了闡釋。他認(rèn)為細(xì)胞大小決定了細(xì)胞內(nèi)DNA何時(shí)開(kāi)始新一輪復(fù)制。當(dāng)細(xì)胞進(jìn)入復(fù)制階段時(shí)，其大小和復(fù)制起點(diǎn)數(shù)的比值是恒定不變的。這一比值被稱(chēng)為“起始質(zhì)量”，且“起始質(zhì)量”與生長(zhǎng)速率無(wú)關(guān)。
　　由于細(xì)胞是指數(shù)生長(zhǎng)，起始質(zhì)量和時(shí)間周期恒定，因此分裂時(shí)細(xì)胞的大小正比于生長(zhǎng)速率的指數(shù)次方。這一觀(guān)點(diǎn)很好地契合了SMK生長(zhǎng)法則，被稱(chēng)為“恒定起始質(zhì)量假說(shuō)”。
　　這兩個(gè)主流細(xì)胞生長(zhǎng)法則環(huán)環(huán)相扣，要想修正它們，必須確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完整的覆蓋度和高度的可重復(fù)性。為此，劉陳立團(tuán)隊(duì)潛心研究3年多，對(duì)兩大法則進(jìn)行了系統(tǒng)性重復(fù)實(shí)驗(yàn)。
　　一測(cè)到底 “起始質(zhì)量”有高有低
　　“我們選擇了超過(guò)30種培養(yǎng)基開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)研究人員采用早晚輪班制，對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以確保每次取樣都是在細(xì)胞穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行的?！痹撐恼碌谝蛔髡哙嵑＝榻B說(shuō)，在低生長(zhǎng)速率條件下，完成一次實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間長(zhǎng)達(dá)一周，而為確保數(shù)據(jù)可靠，實(shí)驗(yàn)還需要多次重復(fù)，最多甚至需重復(fù)9次以上。這是迄今為止有報(bào)道的類(lèi)似研究工作中選用培養(yǎng)基種類(lèi)最多、覆蓋生長(zhǎng)速率范圍最廣的。
　　經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)原有的兩大法則并不準(zhǔn)確?！半m然生長(zhǎng)速度越快，細(xì)胞越大，但兩者之間的關(guān)系并不符合SMK生長(zhǎng)法則的預(yù)期?！痹撐恼峦ㄓ嵶髡邉㈥惲⒄f(shuō)，“按照法則描述，無(wú)論細(xì)胞生長(zhǎng)速度快慢，一旦達(dá)到‘起始質(zhì)量’，就應(yīng)該開(kāi)始新一輪的DNA復(fù)制，然而，我們卻在實(shí)驗(yàn)中觀(guān)察到，細(xì)菌細(xì)胞沒(méi)有遵循假說(shuō)，不同培養(yǎng)條件下，‘起始質(zhì)量’有高有低。”
　　玩轉(zhuǎn)數(shù)據(jù) 推導(dǎo)全新定量關(guān)系
　　為了重新回答“細(xì)菌大小是怎么決定的”，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)尋找大量科研實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)背后的量化關(guān)系，最終推演出一個(gè)全新且適用于不同生長(zhǎng)速率條件的“個(gè)體生長(zhǎng)分裂方程”。
　　新的方程統(tǒng)一了不同生長(zhǎng)速率條件下細(xì)菌細(xì)胞周期調(diào)控機(jī)制，這一定量公式也使得細(xì)菌個(gè)體大小、生長(zhǎng)速率等自然現(xiàn)象具有了一定的可預(yù)測(cè)性。例如：當(dāng)?shù)弥?xì)菌生長(zhǎng)速率和DNA復(fù)制周期，便可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其大小。
　　在“個(gè)體生長(zhǎng)分裂方程”的約束下，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)細(xì)菌細(xì)胞分裂的控制機(jī)制進(jìn)行了探討，提出了全新分子機(jī)制假說(shuō)。他們認(rèn)為存在一種“分裂許可物”，它與“細(xì)胞生長(zhǎng)”和“染色體復(fù)制分離”相關(guān)。當(dāng)它達(dá)到一定閾值時(shí)，細(xì)胞就會(huì)分裂。
　　該研究是劉陳立團(tuán)隊(duì)繼去年揭示細(xì)菌群體遷徙公式后，以“合成生物學(xué)”為研究導(dǎo)向，在定量生物學(xué)領(lǐng)域的再度突破。
　　“研究再次證實(shí)了定量的思維方法在生命科學(xué)研究中的重要性，我們?cè)噲D從找到的每一個(gè)運(yùn)行規(guī)律中發(fā)現(xiàn)可用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)、改造、重建生命形式的‘圖紙’?！眲㈥惲⒈硎?。此次研究有助于未來(lái)合成生物學(xué)領(lǐng)域的理性設(shè)計(jì)和建構(gòu)，以滿(mǎn)足細(xì)菌治療疾病、抗生素替代、綠色生物制造等多個(gè)應(yīng)用層面的需要。
　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41564-020-0717-x
　　（原載于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 2020-05-20 第1版 要聞)