深圳先進院揭秘 “細菌細胞大小怎麼決定”
2020年05月20日04:09

原標題:深圳先進院揭秘 “細菌細胞大小怎麼決定”

  廣州日報訊 (全媒體記者王納)細菌,是自然界分佈最廣、個體數量最多的單細胞生命體,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。近日,中國科學家在這條探索之路上邁出了堅實的一步。

  5月18日,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團隊在細菌細胞生長分裂領域獲得重要進展,研究成果修正了主導該領域的兩大法則,揭示了細菌細胞分裂的全新機製,其研究成果發表在國際權威期刊《自然·微生物學》雜誌。

  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,形成的研究思維範式主導了細菌細胞週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製,劉陳立團隊對兩大法則進行了驗證並獲得重大突破。

  研究團隊曆時3年多,選取超過30種培養基開展實驗,是迄今為止在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項研究。在數百次取樣,測定數千個定量數據後,細菌細胞的生命週期逐漸清晰起來。

  研究結果顯示,儘管細胞的平均大小隨著生長速率的升高,數據卻並不符合 “SMK生長法則”提出的定量公式;此外,研究團隊發現,假說中認為細胞DNA複製前的恒定比值也並非一成不變,而是根據生長速率的升高,呈現先上升後下降的變化趨勢。這說明奠定現代定量微生物學研究領域兩大法則可能並不準確。

  “我們希望通過這項研究能夠讓大家從傳統法則的慣性思維中解放出來,跳出固有的框架,從全新的角度去思考和研究細菌細胞週期背後的機製。”文章的通訊作者劉陳立研究員說道。

  更重要的是,團隊不僅修正了原有的兩大法則,基於新的實驗數據,他們還發現了適用於所有生長速率的全新規律,明確了DNA複製到細胞分裂的時間間隔與生長速率間的關係,進一步,發現了細胞大小、複製分裂間隔、生長速率三者間的關係,並將其命名為“個體生長分裂方程”,為該領域的研究提供了全新的思考模式。

  “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。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。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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