決定細(xì)菌大小的公式

梁水源

一個(gè)新方程的出爐意味著什么？在物理界，“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。那么，合成生物學(xué)領(lǐng)域的方程呢？2020年5月，中國(guó)科學(xué)家提出了決定細(xì)菌大小的全新公式。

眾所周知，細(xì)菌是生物的主要類群之一，它會(huì)對(duì)人類的活動(dòng)產(chǎn)生很大影響，從發(fā)酵酸奶的乳酸菌，到生產(chǎn)胰島素的大腸桿菌，細(xì)菌充斥于人類的生活和科學(xué)研究的方方面面。細(xì)菌的個(gè)體總體非常小，但細(xì)菌和其他生物一樣，也是有大有小的。生物學(xué)家一直想知道，究竟是什么決定了細(xì)胞的大小。

20世紀(jì)50年代，美國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)細(xì)菌細(xì)胞長(zhǎng)得越快，細(xì)胞就會(huì)越大，還突破性地用一個(gè)數(shù)學(xué)公式描述了細(xì)菌細(xì)胞生長(zhǎng)速度和細(xì)胞大小之間的定量關(guān)系，這個(gè)公式被稱為SMK生長(zhǎng)法則。1968年，另一位科學(xué)家認(rèn)為細(xì)胞的大小決定了細(xì)胞內(nèi)DNA何時(shí)開(kāi)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，這被稱為恒定起始質(zhì)量假說(shuō)。這兩個(gè)生長(zhǎng)法則環(huán)環(huán)相扣，就像一塊科研道路上的指路牌，統(tǒng)治了學(xué)術(shù)界半個(gè)世紀(jì)。

幾年前，中國(guó)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)新研究院研究員劉陳立帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)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”可能會(huì)將相關(guān)領(lǐng)域的研究引向偏離的方向。

然而，要挑戰(zhàn)權(quán)威，就需要用數(shù)據(jù)說(shuō)話。劉陳立發(fā)現(xiàn)，過(guò)去也有一些研究團(tuán)隊(duì)曾對(duì)這兩個(gè)法則的準(zhǔn)確性提出過(guò)質(zhì)疑，但都缺乏系統(tǒng)且全面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，沒(méi)有說(shuō)服力。他覺(jué)得要想修正主流細(xì)胞生長(zhǎng)法則，就必須確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完整的覆蓋度，以及高度的可重復(fù)性。于是，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始對(duì)兩大法則進(jìn)行系統(tǒng)性的重復(fù)實(shí)驗(yàn)。科研團(tuán)隊(duì)改變以往選取1種或少數(shù)幾種培養(yǎng)基的做法，選擇了超過(guò)30種的培養(yǎng)基開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。他們采用早晚輪班制，對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)狀態(tài)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控，以確保每次取樣都是在細(xì)胞穩(wěn)定的狀態(tài)下進(jìn)行的。在低生長(zhǎng)速率條件下，完成一次實(shí)驗(yàn)需要一周時(shí)間，為了確保數(shù)據(jù)可靠，實(shí)驗(yàn)還需要重復(fù)，有時(shí)甚至重復(fù)超過(guò)9次。

經(jīng)過(guò)3年多的潛心研究，劉陳立科研團(tuán)隊(duì)最終發(fā)現(xiàn)，原有的兩大法則并不準(zhǔn)確。雖然生長(zhǎng)速度越快，細(xì)胞越大，但兩者之間的關(guān)系并不符合SMK生長(zhǎng)法則的預(yù)期。按照法則描述，無(wú)論細(xì)胞生長(zhǎng)快慢，一旦達(dá)到起始質(zhì)量，就應(yīng)該開(kāi)始新一輪的DNA復(fù)制。然而，劉陳立科研團(tuán)隊(duì)卻在實(shí)驗(yàn)中觀察到，細(xì)菌細(xì)胞沒(méi)有遵循假說(shuō)，在不同的培養(yǎng)條件下，起始質(zhì)量有高有低。

那么，細(xì)菌的大小是由什么來(lái)決定的呢？

劉陳立根據(jù)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(zhǎng)速率條件的“個(gè)體生長(zhǎng)分裂方程”。這個(gè)新方程統(tǒng)一了不同生長(zhǎng)速率條件下的細(xì)菌細(xì)胞周期調(diào)控機(jī)制，使得細(xì)菌個(gè)體大小、生長(zhǎng)速率等自然現(xiàn)象具有了一定的可預(yù)測(cè)性。比如，一旦得知細(xì)菌生長(zhǎng)速率和DNA復(fù)制周期，科學(xué)家便可以根據(jù)公式，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出細(xì)菌的大小。

至此，中國(guó)科學(xué)家用一個(gè)全新公式揭秘了細(xì)菌細(xì)胞大小的決定因素，解答了細(xì)菌細(xì)胞大小和DNA復(fù)制周期，以及生長(zhǎng)速度之間的關(guān)系，它可以在生物世界實(shí)現(xiàn)理性設(shè)計(jì)、改造形式或者創(chuàng)造形式，以滿足人類的不同需求。