細(xì)菌大小是怎么決定的? 能否修正“指路牌”?

說起細(xì)菌，大家一定不陌生。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。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，從0.3微米長的專性胞內(nèi)病源菌支原體(Mycoplasma)，到600微米長的刺尾鯛腸道內(nèi)共生菌費(fèi)氏刺骨魚菌(Epulopiscium fishelsoni)，再到生長在納米比亞海邊肉眼可見的1毫米長的納米比亞嗜硫珠菌(Thiomargarita namibiensis)。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。長久以來，細(xì)菌的大小一直是細(xì)菌分類學(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(xì)胞的大小。

在近代，雖然我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，但我們?nèi)匀徊恢兰?xì)菌細(xì)胞的大小是如何確定的。

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(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)室的文章《鏈接大腸桿菌細(xì)胞生長和細(xì)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(xì)菌大小的決定因素，推導(dǎo)出了全新的“個(gè)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(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。

追根溯源 修正原有法則

早在上世紀(jì)50年代，美國科學(xué)家Schaechter等發(fā)現(xiàn)細(xì)菌細(xì)胞長得越快，細(xì)胞就越大。更為重要的是，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)胞生長速度和細(xì)胞大小之間的定量關(guān)系，即是說只要知道細(xì)胞生長快慢，就可以準(zhǔn)確推斷出細(xì)胞大小，反之亦然。這一公式后被稱為“SMK生長法則”。

那么，細(xì)胞大小和生長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)表了他的觀點(diǎn)。他認(rèn)為，細(xì)胞大小決定了細(xì)胞內(nèi)DNA何時(shí)開始新一輪復(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。這一比值被稱為“起始質(zhì)量”，且“起始質(zhì)量”與生長速率無關(guān)。開始新一輪DNA復(fù)制后，經(jīng)過恒定的時(shí)間周期，細(xì)胞分裂。

由于細(xì)胞是指數(shù)生長，起始質(zhì)量及時(shí)間周期恒定，因此分裂時(shí)細(xì)胞的大小正比于生長速率的指數(shù)次方。這一觀點(diǎn)很好的契合了SMK生長法則，回答了“細(xì)菌大小是怎么決定的”這一基礎(chǔ)科學(xué)問題，被稱為“恒定起始質(zhì)量假說”。

一測(cè)到底 展開三年漫長研究

這兩個(gè)統(tǒng)治了學(xué)術(shù)界半個(gè)世紀(jì)的生長法則環(huán)環(huán)相扣，就像科研道路上的“指路牌”，在該領(lǐng)域樹立權(quán)威六十年，多年來許許多多的研究在兩大法則的指引下開展;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3年多研究，對(duì)兩大法則進(jìn)行了系統(tǒng)性重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

“通常的該類研究會(huì)選取1種或少數(shù)幾種培養(yǎng)基，而我們選擇了超過30種培養(yǎng)基開展實(shí)驗(yàn)，我們采用早晚輪班制，對(duì)細(xì)胞的生長狀態(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，”該文章的第一作者鄭海博士介紹說，“在低生長速率條件下，完成一次實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間長達(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?！边@是迄今為止有報(bào)道的類似研究工作中選用培養(yǎng)基種類最多、覆蓋生長速率范圍最廣的一次。

帶著極大的耐心和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，團(tuán)隊(duì)最終發(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?！半m然生長速度越快，細(xì)胞越大，但二者之間的關(guān)系并不符合SMK生長法則的預(yù)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(xì)胞生長快慢，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。”

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)問題，劉陳立這樣描述實(shí)驗(yàn)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(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速率條件的“個(gè)體生長分裂方程”。

新的方程統(tǒng)一了不同生長速率條件下的細(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”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)。

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)繼去年揭示細(xì)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(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硎尽?

最重要的是，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)問題研究，對(duì)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(jì)和建構(gòu)，以滿足細(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。