科普揭秘|细菌大小是怎么决定的?

2021-04-25

央广网深圳5月19日消息(记者黄倩 通讯员严偲偲)细菌,是自然界分布最广、个体数量最多的单细胞生命体。长久以来,细菌的大小一直是细菌分类学中一个不可缺少的性状,同时特定的大小使得细菌能更适应其生存环境。过去100年来,生物学家一直想知道是什么决定了细胞的大小。近日,中国科学家在此项研究中有了新突破。

5月18日,国际权威学术期刊《自然·微生物学》发表了中国科学院深圳先进技术研究院(以下简称深圳先进院)、深圳合成生物学创新研究院刘陈立实验室的文章《链接大肠杆菌细胞生长和细胞周期的一般定量关系》,该文章以大肠杆菌为模式生物,揭秘了细菌大小的决定因素,推导出了全新的“个体生长分裂方程”,修正了该领域原有的两大生长法则,并对合成生物学领域生命体理性设计提供了相关建构基础原理。

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文章上线截图(央广网发 深圳先进院供图)

一测到底 展开三年漫长研究


在现代定量微生物学领域中,“SMK生长法则”是首个被发现的定量规律,与“恒定起始质量假说”相辅相成,形成的研究思维范式主导了细菌细胞周期相关研究领域长达半个多世纪之久。为了深入探索细菌细胞分裂的机制,刘陈立团队潜心3年多研究,对两大法则进行了系统性验证并获得重大突破。

“通常,该类研究会选取1种或少数几种培养基,而我们选择了超过30种培养基开展实验,我们采用早晚轮班制,对细胞的生长状态进行实时监控,以确保每次取样都是在细胞稳定状态下进行的。在低生长速率条件下,完成一次实验所需时间长达一周,而为确保数据可靠,实验还需要重复,重复次数多的超过9次以上。”该文章的第一作者郑海博士介绍说。这是迄今为止有报道的类似研究工作中选用培养基种类最多、覆盖生长速率范围最广的一次。

带着极大的耐心和严谨的态度,研究团队最终发现,原有的两大法则并不准确,被奉为经典的“指路牌”可能将大家的研究引向了偏离的方向。“虽然生长速度越快,细胞越大,但二者之间的关系并不符合SMK生长法则的预期。”该文章的通讯作者刘陈立研究员说,“按照法则描述,无论细胞生长快慢,一旦达到‘起始质量’,就应该开始新一轮的DNA复制,然而,我们却在实验中观察到,细菌细胞没有遵循假说,不同培养条件下,‘起始质量’有高有低。”

如果两大法则并不准确,那么细菌大小是怎么决定的呢?我们能否修正“指路牌”呢?

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不同大小的细菌细胞示意图(央广网发 深圳先进院供图)
玩转数据 推导全新定量关系

为了回答“细菌大小是怎么决定的”这一科学问题。刘陈立这样描述实验数据分析的过程:“要和数据呆在一起,揣摩它。”研究团队通过寻找大量科研实验数据背后的量化关系,最终推演出一个全新且适用于不同生长速率条件的“个体生长分裂方程”:


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个体生长分裂方程示意图(央广网发 深圳先进院供图)

新的方程统一了不同生长速率条件下的细菌细胞周期调控机制,这一定量公式的提出也使得细菌个体大小、生长速率等自然现象具有了一定的可预测性。例如:当得知细菌生长速率和DNA复制周期,便可准确预测出细菌的大小。该分裂方程为研究人员提供新的研究范式和思维方法,解答细菌细胞大小和DNA复制周期以及生长速度之间的关系,并具有广泛的应用价值。

“个体生长方程”对理解细菌细胞周期的控制机制有什么意义呢?在“个体生长方程”的约束下,研究团队对细菌细胞分裂的控制机制进行了探讨,并以此为基础提出了一个全新的分子机制假说,认为存在一种“分裂许可物”,它与“细胞生长”和“染色体复制分离”相关。当它积累达到一定阈值时,细胞就会分裂。研究团队在此基础上建立了相应的数学模型,进一步的实验确实验证了理论预测。

从数学公式到建构生命体理性设计基础

在物理世界,“伯努利方程”指导了飞机的设计,“阿基米德浮力定律”推动了潜艇的面世,“牛顿第二定律”是人类得以翱翔太空的理论基石,合成生物学的终极目标就是生物世界实现理性设计、改造现有生命形式或者创造全新的生命形式以满足人类不同的需求。

以“合成生物学”为研究导向,刘陈立团队继去年揭示细菌群体迁徙公式后,该研究是在定量生物学领域的再度突破,“研究再次证实了定量的思维方法在生命科学研究中的重要性,我们找到的每一个运行规律,都是试图找到可用于指导设计、改造、重建生命形式的‘图纸’。”刘陈立表示。此次对细菌个体细胞相关定量规律和法则的基础科学问题研究,对人类揭示并理解生命体内在原理提供了重要的参考依据,此研究也有助于未来合成生物学领域的理性设计和建构,以满足细菌治疗疾病、抗生素替代、绿色生物制造等多个应用层面的需要。


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