央廣網(wǎng)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(shù)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(xué)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(yīng)其生存環(huán)境。過去100年來，生物學(xué)家一直想知道是什么決定了細胞的大小。近日，中國科學(xué)家在此項研究中有了新突破。

　　5月18日，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·微生物學(xué)》發(fā)表了中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院（以下簡稱深圳先進院）、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)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(guān)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(dǎo)出了全新的“個體生長分裂方程”，修正了該領(lǐng)域原有的兩大生長法則，并對合成生物學(xué)領(lǐng)域生命體理性設(shè)計提供了相關(guān)建構(gòu)基礎(chǔ)原理。

文章上線截圖（央廣網(wǎng)發(fā) 深圳先進院供圖）

　　一測到底 展開三年漫長研究

　　在現(xiàn)代定量微生物學(xué)領(lǐng)域中，“SMK生長法則”是首個被發(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)了細菌細胞周期相關(guān)研究領(lǐng)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(tǒng)性驗證并獲得重大突破。

　　“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。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(fù)，重復(fù)次數(shù)多的超過9次以上�！痹撐恼碌牡谝蛔髡哙嵑２┦拷榻B說。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?shù)膽B(tài)度，研究團隊最終發(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�！半m然生長速度越快，細胞越大，但二者之間的關(guān)系并不符合SMK生長法則的預(yù)期�！痹撐恼碌耐ㄓ嵶髡邉㈥惲⒀芯繂T說，“按照法則描述，無論細胞生長快慢，一旦達到‘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(zhì)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(wǎng)發(fā) 深圳先進院供圖）

　　玩轉(zhuǎn)數(shù)據(jù) 推導(dǎo)全新定量關(guān)系

　　為了回答“細菌大小是怎么決定的”這一科學(xué)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�！毖芯繄F隊通過尋找大量科研實驗數(shù)據(jù)背后的量化關(guān)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(wǎng)發(fā) 深圳先進院供圖）

　　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(diào)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(yù)測性。例如：當(dāng)?shù)弥�細菌生長速率和DNA復(fù)制周期，便可準確預(yù)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(fù)制周期以及生長速度之間的關(guān)系，并具有廣泛的應(yīng)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(chǔ)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(fù)制分離”相關(guān)。當(dāng)它積累達到一定閾值時，細胞就會分裂。研究團隊在此基礎(chǔ)上建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，進一步的實驗確實驗證了理論預(yù)測。

　　從數(shù)學(xué)公式到建構(gòu)生命體理性設(shè)計基礎(chǔ)

　　在物理世界，“伯努利方程”指導(dǎo)了飛機的設(shè)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(xué)的終極目標(biāo)就是生物世界實現(xiàn)理性設(shè)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(xué)”為研究導(dǎo)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(xué)領(lǐng)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(xué)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(dǎo)設(shè)計、改造、重建生命形式的‘圖紙’�！眲㈥惲⒈硎�。此次對細菌個體細胞相關(guān)定量規(guī)律和法則的基礎(chǔ)科學(xué)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(xué)領(lǐng)域的理性設(shè)計和建構(gòu)，以滿足細菌治療疾病、抗生素替代、綠色生物制造等多個應(yīng)用層面的需要。