過(guò)去100年來(lái)，生物學(xué)家一直想知道是什么決定了
細(xì)胞的大小。在近代，雖然科學(xué)家們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，但仍不知道細(xì)菌細(xì)胞的大小是如何確定的。
5月18日，中國(guó)科學(xué)院深圳技術(shù)研究院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)中科院深圳院）、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院劉陳立研究團(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)成果發(fā)表于《自然—微生物學(xué)》。該研究推導(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。
每種細(xì)菌都有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，當(dāng)然，較大的細(xì)菌是極少數(shù)的，大多數(shù)已知細(xì)菌的直徑在0.4至2微米之間，長(zhǎng)度在0.5至5微米之間。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(guò)人類(lèi)致死劑量1000倍等條件下，這些環(huán)境中的細(xì)菌細(xì)胞仍然保持特定大小。
長(zhǎng)久以來(lái)，細(xì)菌的大小一直是細(xì)菌分類(lèi)學(xué)中一個(gè)不可缺少的性狀，同時(shí)特定的大小使得細(xì)菌能適應(yīng)其生存環(huán)境。那么細(xì)菌的大小究竟是怎么決定的？。
一測(cè)到底 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。為重要的是，該研究突破性地用一個(gè)數(shù)學(xué)公式描述了細(xì)菌細(xì)胞生長(zhǎng)速度和細(xì)胞大小之間的定量關(guān)系，即是說(shuō)只要知道細(xì)胞生長(zhǎng)快慢，就可以準(zhǔn)確推斷出細(xì)胞大小，反之亦然。這一公式后被稱(chēng)為"SMK生長(zhǎng)法則"。
那么，細(xì)胞大小和生長(zhǎng)速度為什么存在這樣的關(guān)系呢？1968年，Donachie在《自然》雜志上發(fā)表了他的觀(guān)點(diǎn)。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)，細(xì)胞大小和復(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)。開(kāi)始新一輪DNA復(fù)制后，經(jīng)過(guò)恒定的時(shí)間周期，細(xì)胞分裂。
由于細(xì)胞是指數(shù)生長(zhǎng)，起始質(zhì)量及時(shí)間周期恒定，因此分裂時(shí)細(xì)胞的大小與生長(zhǎng)速率的指數(shù)次方成正比。這一觀(guān)點(diǎn)很好的契合了SMK生長(zhǎng)法則，回答了“細(xì)菌大小是怎么決定的”這一基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，被稱(chēng)為“恒定起始質(zhì)量假說(shuō)”。
這兩個(gè)統(tǒng)治了學(xué)術(shù)界半個(gè)世紀(jì)的生長(zhǎng)法則環(huán)環(huán)相扣，就像科研道路上的“指路牌”，在該領(lǐng)域樹(shù)立權(quán)威六十年，多年來(lái)許許多多的研究在兩大法則的指引下開(kāi)展；也有一些研究團(tuán)隊(duì)對(duì)這兩個(gè)法則的準(zhǔn)確性提出過(guò)質(zhì)疑，但由于缺乏系統(tǒng)全面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，相關(guān)結(jié)論并未引起領(lǐng)域內(nèi)大部分研究人員的重視。要想修正主流細(xì)胞生長(zhǎng)法則，必須要確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完整的覆蓋度以及高度的可重復(fù)性，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)。
“通常該類(lèi)研究會(huì)選取1種或少數(shù)幾種
培養(yǎng)基，而我們選擇了超過(guò)30種培養(yǎng)基開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，我們采用早晚輪班制，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，”該文章的作者鄭海博士介紹說(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)還需要重復(fù)，重復(fù)次數(shù)多的超過(guò)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)多、覆蓋生長(zhǎng)速率范圍廣的一次。
帶著極大的耐心和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，團(tuán)隊(duì)終發(fā)現(xiàn)，原有的兩大法則并不準(zhǔn)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(zhǎng)速度越快，細(xì)胞越大，但二者之間的關(guān)系并不符合SMK生長(zhǎng)法則的預(yù)期”，該文章通訊作者劉陳立研究員說(shuō)，“按照法則描述，無(wú)論細(xì)胞生長(zhǎng)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。”
如果兩大法則并不準(zhǔn)確，那么細(xì)菌大小是怎么決定的呢？我們能否修正“指路牌”呢？
玩轉(zhuǎn)數(shù)據(jù) 推導(dǎo)全新定量關(guān)系
為了回答“細(xì)菌大小是怎么決定的”這一科學(xué)問(wèn)題。劉陳立這樣描述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的過(guò)程：“要和數(shù)據(jù)呆在一起，揣摩它。”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，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了新的研究范式和思維方法，解答了細(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，具有廣泛應(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(shuō)，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)驗(yàn)證了理論預(yù)測(cè)。
從數(shù)學(xué)公式到建構(gòu)生命體理性設(shè)計(jì)基礎(chǔ)
在物理世界，“伯努利方程”指導(dǎo)了飛機(jī)的設(shè)計(jì)，“阿基米德浮力定律”推動(dòng)了潛艇的面世，“牛頓第二定律”是人類(lèi)得以翱翔太空的理論基石，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(mǎn)足人類(lèi)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)繼去年揭示細(xì)菌群體遷徙公式后，在定量生物學(xué)領(lǐng)域再度實(shí)現(xiàn)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’。”劉陳立表示。此次對(duì)細(xì)菌個(gè)體細(xì)胞相關(guān)定量規(guī)律和法則的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題研究，對(duì)人類(lèi)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(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。
原創(chuàng)作者：上海遠(yuǎn)慕生物科技有限公司
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