細菌大小是怎麼決定的?
2020年05月19日09:32

  來源:中科院之聲

  細菌,是自然界分佈最廣、個體數量最多的單細胞生命體。從負責發酵酸奶的乳酸菌到生產胰島素的大腸杆菌,細菌充斥於人類生活和科學研究的方方面面。每種細菌有著各式各樣的可遺傳繼承的大小,這些微小細胞的體積有時可以相差106-108倍,從0.3微米長的專性胞內病源菌支原體(Mycoplasma),到600微米長的刺尾鯛腸道內共生菌費氏刺骨魚菌(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)。當然,較大的細菌是極少數的,大多數已知細菌的直徑在0.4至2微米之間,長度在0.5至5微米之間。

  細菌的大小不僅呈現多樣化,而且很穩定。即使在溫度高達100度以上的熱液口、鹽濃度高達5摩爾的鹽湖、離子放射性強度超過人類致死劑量1000倍等條件下,這些環境中的細菌細胞仍然保持特定的大小。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麼決定了細胞的大小。在近代,雖然我們知道了大部分控製細菌細胞週期和細胞分裂的分子,但我們仍然不知道細菌細胞的大小是如何確定的(圖1)。

圖1 不同大小的細菌細胞
圖1 不同大小的細菌細胞

  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、深圳合成生物學創新研究院劉陳立實驗室的文章《鏈接大腸杆菌細胞生長和細胞週期的一般定量關係》,該文章以大腸杆菌為模式生物,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,並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。

  追根溯源 修正原有法則

  早在上世紀50年代,美國科學家Schaechter等發現細菌細胞長得越快,細胞就越大。更為重要的是,該研究突破性地用一個數學公式描述了細菌細胞生長速度和細胞大小之間的定量關係,即是說只要知道細胞生長快慢,就可以準確推斷出細胞大小,反之亦然。這一公式後被稱為“SMK生長法則”。

  那麼,細胞大小和生長速度為什麼存在這樣的關係呢?1968年,Donachie在《自然》雜誌上發表了他的觀點。他認為,細胞大小決定了細胞內DNA何時開始新一輪複製。當細胞進入複製階段時,細胞大小和複製起點數的比值是恒定不變的。這一比值被稱為“起始質量”,且“起始質量”與生長速率無關。開始新一輪DNA複製後,經過恒定的時間週期,細胞分裂。

  由於細胞是指數生長,起始質量及時間週期恒定,因此分裂時細胞的大小正比於生長速率的指數次方。這一觀點很好的契合了SMK生長法則,回答了“細菌大小是怎麼決定的”這一基礎科學問題,被稱為“恒定起始質量假說”。

  一測到底 展開三年漫長研究

  這兩個統治了學術界半個世紀的生長法則環環相扣,就像科研道路上的“指路牌”,在該領域樹立權威六十年,多年來許許多多的研究在兩大法則的指引下開展;也有一些研究團隊對這兩個法則的準確性提出過質疑,但由於缺乏系統全面的實驗數據,相關結論並未引起領域內大部分研究人員的重視。要想修正主流細胞生長法則,必須要確保實驗數據完整的覆蓋度以及高度的可重複性,劉陳立團隊潛心3年多研究,對兩大法則進行了系統性重複實驗。

  “通常的該類研究會選取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,我們採用早晚輪班製,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,”該文章的第一作者鄭海博士介紹說,“在低生長速率條件下,完成一次實驗所需時間長達一週,而為確保數據可靠,實驗還需要重複,重複次數多的超過9次以上。”這是迄今為止有報導的類似研究工作中選用培養基種類最多、覆蓋生長速率範圍最廣的一次。

  帶著極大的耐心和嚴謹的態度,團隊最終發現,原有的兩大法則並不準確,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,但二者之間的關係並不符合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複製,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。”

  如果兩大法則並不準確,那麼細菌大小是怎麼決定的呢?我們能否修正“指路牌”呢?

  玩轉數據 推導全新定量關係

  為了回答“細菌大小是怎麼決定的”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後的量化關係,最終推演出一個全新且適用於不同生長速率條件的“個體生長分裂方程”(圖2):

圖2 個體生長分裂方程
圖2 個體生長分裂方程

  新的方程統一了不同生長速率條件下的細菌細胞週期調控機製,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複製週期,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範式和思維方法,解答細菌細胞大小和DNA複製週期以及生長速度之間的關係,並具有廣泛的應用價值。

  “個體生長方程”對理解細菌細胞週期的控製機製有什麼意義呢?在“個體生長方程”的約束下,研究團隊對細菌細胞分裂的控製機製進行了探討。並以此為基礎提出了一個全新的分子機製假說,認為存在一種“分裂許可物”,它與“細胞生長”和“染色體複製分離”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後,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,都是試圖找到可用於指導設計、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,對人類揭示並理解生命體內在原理提供了重要的參考依據,此研究也有助於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、綠色生物製造等多個應用層面的需要。

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