科普揭秘|細菌大小是怎么決定的？

　　央廣網深圳5月19日消息（記者黃倩 通訊員嚴偲偲）細菌，是自然界分布最廣、個體數量最多的單細胞生命體。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更適應其生存環境。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。近日，中國科學家在此項研究中有了新突破。

　　5月18日，國際權威學術期刊《自然·微生物學》發表了中國科學院深圳先進技術研究院（以下簡稱深圳先進院）、深圳合成生物學創新研究院劉陳立實驗室的文章《鏈接大腸桿菌細胞生長和細胞周期的一般定量關系》，該文章以大腸桿菌為模式生物，揭秘了細菌大小的決定因素，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。

文章上線截圖（央廣網發 深圳先進院供圖）

　　一測到底 展開三年漫長研究

　　在現代定量微生物學領域中，“SMK生長法則”是首個被發現的定量規律，與“恒定起始質量假說”相輔相成，形成的研究思維范式主導了細菌細胞周期相關研究領域長達半個多世紀之久。為了深入探索細菌細胞分裂的機制，劉陳立團隊潛心3年多研究，對兩大法則進行了系統性驗證并獲得重大突破。

　　“通常，該類研究會選取1種或少數幾種培養基，而我們選擇了超過30種培養基開展實驗，我們采用早晚輪班制，對細胞的生長狀態進行實時監控，以確保每次取樣都是在細胞穩定狀態下進行的。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。”該文章的第一作者鄭海博士介紹說。這是迄今為止有報道的類似研究工作中選用培養基種類最多、覆蓋生長速率范圍最廣的一次。

　　帶著極大的耐心和嚴謹的態度，研究團隊最終發現，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。”該文章的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？

不同大小的細菌細胞示意圖（央廣網發 深圳先進院供圖）

　　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，最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”：

個體生長分裂方程示意圖（央廣網發 深圳先進院供圖）

　　新的方程統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新的研究范式和思維方法，解答細菌細胞大小和DNA復制周期以及生長速度之間的關系，并具有廣泛的應用價值。

　　“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，進一步的實驗確實驗證了理論預測。

　　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理性設計、改造現有生命形式或者創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，該研究是在定量生物學領域的再度突破，“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。