5月18日，國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然?微生物學(xué)》（Nature microbiology））在線發(fā)表了來自中國(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)新研究院劉陳立實(shí)驗(yàn)室的論文，題為“鏈接大腸桿菌細(xì)胞生長(zhǎng)和細(xì)胞周期的一般定量關(guān)系”。

該研究以大腸桿菌為模式生物，揭秘了細(xì)菌大小的決定因素，推導(dǎo)出了全新的“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，并對(duì)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。

細(xì)菌，是自然界分布最廣、個(gè)體數(shù)量最多的單細(xì)胞生命體。從負(fù)責(zé)發(fā)酵酸奶的乳酸菌到生產(chǎn)胰島素的大腸桿菌，細(xì)菌充斥于人類生活和科學(xué)研究的方方面面。

而每種細(xì)菌有著各式各樣的可遺傳繼承的大小，這些微小細(xì)胞的體積有時(shí)可以相差106-108倍。研究團(tuán)隊(duì)指出，細(xì)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(dá)100度以上的熱液口、鹽濃度高達(dá)5摩爾的鹽湖、離子放射性強(qiáng)度超過人類致死劑量1000倍等條件下，這些環(huán)境中的細(xì)菌細(xì)胞仍然保持特定的大小。

不同大小的細(xì)菌細(xì)胞。

在現(xiàn)代定量微生物學(xué)領(lǐng)域中，“SMK生長(zhǎng)法則”是首個(gè)被發(fā)現(xiàn)的定量規(guī)律，與“恒定起始質(zhì)量假說”相輔相成，形成的研究思維范式主導(dǎo)了細(xì)菌細(xì)胞周期相關(guān)研究領(lǐng)域長(zhǎng)達(dá)半個(gè)多世紀(jì)之久。為深入探索細(xì)菌細(xì)胞分裂的機(jī)制，劉陳立團(tuán)隊(duì)對(duì)兩大法則進(jìn)行了驗(yàn)證。

劉陳立團(tuán)隊(duì)歷時(shí)3年多，選取超過30種培養(yǎng)基開展實(shí)驗(yàn)，是迄今為止在有報(bào)道的類似研究工作中選用培養(yǎng)基種類最多、覆蓋生長(zhǎng)速率范圍最廣的一項(xiàng)研究。在數(shù)百次取樣，測(cè)定數(shù)千個(gè)定量數(shù)據(jù)后，細(xì)菌細(xì)胞的生命周期逐漸清晰起來。該文章的第一作者鄭海博士介紹說，“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)還需要重復(fù)，重復(fù)次數(shù)多的超過9次以上?！?/p>

研究結(jié)果顯示，盡管細(xì)胞的平均大小隨著生長(zhǎng)速率的升高，數(shù)據(jù)卻并不符合 “SMK生長(zhǎng)法則”提出的定量公式；此外，研究發(fā)現(xiàn)，假說中認(rèn)為細(xì)胞DNA復(fù)制前的恒定比值也并非一成不變，而是根據(jù)生長(zhǎng)速率的升高，呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢(shì)。這說明奠定現(xiàn)代定量微生物學(xué)研究領(lǐng)域兩大法則可能并不準(zhǔn)確。

劉陳立表示，“按照法則描述，無論細(xì)胞生長(zhǎng)快慢，一旦達(dá)到‘起始質(zhì)量’，就應(yīng)該開始新一輪的DNA復(fù)制，然而，我們卻在實(shí)驗(yàn)中觀察到，細(xì)菌細(xì)胞沒有遵循假說，不同培養(yǎng)條件下，‘起始質(zhì)量’有高有低?！?/p>

如果兩大法則并不準(zhǔn)確，那么細(xì)菌大小是怎么決定的？為回答這一科學(xué)問題，劉陳立團(tuán)隊(duì)通過尋找大量科研實(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”。

個(gè)體生長(zhǎng)分裂方程。

新的方程統(tǒng)一了不同生長(zhǎng)速率條件下的細(xì)菌細(xì)胞周期調(diào)控機(jī)制，這一定量公式的提出也使得細(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)出細(xì)菌的大小。該分裂方程為研究人員提供新的研究范式和思維方法，解答細(xì)菌細(xì)胞大小和DNA復(fù)制周期以及生長(zhǎng)速度之間的關(guān)系，并具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

“個(gè)體生長(zhǎng)方程”對(duì)理解細(xì)菌細(xì)胞周期的控制機(jī)制有什么意義呢？在“個(gè)體生長(zhǎng)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。并以此為基礎(chǔ)提出了一個(gè)全新的分子機(jī)制假說，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)它積累達(dá)到一定閾值時(shí)，細(xì)胞就會(huì)分裂。研究團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)確實(shí)驗(yàn)證了理論預(yù)測(cè)。

值得一提的是，在劉陳立看來，合成生物學(xué)的終極目標(biāo)就是生物世界實(shí)現(xiàn)理性設(shè)計(jì)、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(xué)”為研究導(dǎo)向，劉陳立團(tuán)隊(duì)去年還揭示了細(xì)菌群體遷徙公式。

此次這項(xiàng)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，我們找到的每一個(gè)運(yùn)行規(guī)律，都是試圖找到可用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)、改造、重建生命形式的‘圖紙’?！眲㈥惲⒈硎?。