中國科學家提出決定細菌大小的全新公式
2020年05月26日08:57

原標題:中國科學家提出決定細菌大小的全新公式

中國科學家提出決定細菌大小的全新公式

一個挑戰學術權威“指路牌”的樣本

  前不久,一則中國科學家挑戰兩大法則提出全新公式的消息,在微生物圈泛起波瀾,引發關注。

  這是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研究員劉陳立帶領科研團隊,曆時多年以大腸杆菌為模式生物,揭秘細菌大小的決定因素,推導出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。

  今年5月,這一成果的學術論文已由國際學術期刊《自然·微生物學》發表,其中提到,該成果給合成生物學領域生命體理性設計提供了建構基礎原理。那麼,這一成果究竟有多大意義,科研團隊在挑戰傳統法則的過程中又經曆了什麼,記者採訪了劉陳立團隊。

傳統法則

  細菌,是自然界分佈最廣、個體數量最多的單細胞生命體。從發酵酸奶的乳酸菌,到生產胰島素的大腸杆菌,可以說,細菌充斥於人類生活和科學研究的方方面面。

  當然,如同人類肉眼可見的其他生物一樣,細菌也是有大有小的。

  劉陳立告訴記者,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百萬千萬倍:從0.3微米長的專性胞內病源菌支原體,到600微米長的刺尾鯛腸道內共生菌費氏刺骨魚菌,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。

  當然,較大的細菌是極少數的,大多數已知細菌的直徑在0.4-2微米之間,長度在0.5-5微米之間。劉陳立說,長期以來,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更能適應其生存環境。

  過去100年來,生物學家一直想知道,究竟是什麼決定了細胞的大小。在近代,雖然科學家知道了大部分控製細菌細胞週期和細胞分裂的分子,但人們仍然不知道細菌細胞的大小是如何確定的。

  上世紀50年代,美國科學家發現“細菌細胞長得越快,細胞就越大”。更為重要的是,這一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。

  簡單來說,只要知道細胞生長的快慢,就可以準確推斷出細胞的大小,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之間,為什麼會存在這樣的關係?

  1968年,另一位科學家在《自然》雜誌上發表了他的觀點。這位科學家認為,細胞的大小,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。

  後來,這一比值被學界稱為“起始質量”。劉陳立說,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,和生長速率的指數次方成正比。

  這一觀點很好地契合了“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”。

  此後,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”一樣,在這一領域樹立權威60多年,多年來許許多多的研究,在兩大法則的指引下開展。

一測三年

  當然,在過去半個多世紀里,有一些研究團隊曾對這兩個法則的準確性提出質疑,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。”劉陳立說。

  他帶領團隊潛心3年多研究,對兩大法則進行了系統性重複實驗。

  據此次成果論文的第一作者、中國科學院深圳先進技術研究院鄭海博士介紹,通常情況下,此類研究會選取1種或少數幾種培養基,而他們選擇了超過30種的培養基開展實驗。

  “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。”鄭海告訴記者,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。

  也因此,這次實驗成了迄今為止類似研究工作中,選用培養基種類最多、覆蓋生長速率範圍最廣的一次。

  鄭海說,帶著極大的耐心和嚴謹的態度,科研團隊最終發現,原有的兩大法則並不準確,被奉為經典的“指路牌”,可能將相關領域的研究引向了“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。”劉陳立說。

  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,劉陳立團隊卻在實驗中觀察到,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,那麼細菌的大小又是由什麼來決定的呢?”

  “我們能否修正‘指路牌’呢?”

  帶著這些疑問,劉陳立團隊一測就是3年。

新方程出爐

  “要和數據待在一起,揣摩它。”這是劉陳立向團隊成員提的要求。

  這句話,也可以用來描述大量科研實驗數據背後的量化關係,科研團隊在實驗數據分析的過程中,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”。

  劉陳立說,這個新方程,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。

  比如說,一旦得知細菌生長速率和DNA複製週期,科學家便可根據公式,準確預測出細菌的大小。

  “分裂方程為研究人員提供新的研究範式和思維方法,解答了細菌細胞大小和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。”劉陳立說。

  至此,科研團隊的探索並未停止。

  這個新方程,對理解細菌細胞週期的控製機製又有什麼意義?在“個體生長方程”的約束下,科研團隊對細菌細胞分裂的控製機製進行了探討,並提出一個全新的分子機製假說——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。

  在此基礎上,劉陳立團隊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。

  對於人類社會,很難說,一個新方程的出爐,究竟意味著什麼。

  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”則是人類得以翱翔太空的理論基石。

  那麼,合成生物學領域的方程呢?

  劉陳立告訴記者,合成生物學的終極目標,就是在生物世界實現理性設計、改造形式或者創造形式,以滿足人類不同的需求。

  如今這個研究成果,再次證實了定量的思維方法在生命科學研究中的重要性。劉陳立說:“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’。”

  在他看來,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,這次研究也有助於未來合成生物學領域的理性設計和建構,以滿足抗生素替代等更多“讓人腦洞大開”的應用需要。

  中青報·中青網記者 邱晨輝

(責編:趙竹青、呂騫)

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