決定細菌大小的公式

梁水源

一個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，中國科學(xué)家提出了決定細菌大小的全新公式。

眾所周知，細菌是生物的主要類群之一，它會對人類的活動產(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，細菌充斥于人類的生活和科學(xué)研究的方方面面。細菌的個體總體非常小，但細菌和其他生物一樣，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胞的大小。

20世紀(jì)50年代，美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)細菌細胞長得越快，細胞就會越大，還突破性地用一個數(shù)學(xué)公式描述了細菌細胞生長速度和細胞大小之間的定量關(guān)系，這個公式被稱為SMK生長法則。1968年，另一位科學(xué)家認為細胞的大小決定了細胞內(nèi)DNA何時開始新一輪復(fù)制，當(dāng)細胞進入復(fù)制階段時，細胞大小和復(fù)制起點數(shù)的比值是恒定不變的，這被稱為恒定起始質(zhì)量假說。這兩個生長法則環(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)界半個世紀(jì)。

幾年前，中國科學(xué)院深圳先進技術(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)科研團隊發(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)說話。劉陳立發(fā)現(xiàn)，過去也有一些研究團隊曾對這兩個法則的準(zhǔn)確性提出過質(zhì)疑，但都缺乏系統(tǒng)且全面的實驗數(shù)據(jù)，沒有說服力。他覺得要想修正主流細胞生長法則，就必須確保實驗數(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)團隊開始對兩大法則進行系統(tǒng)性的重復(fù)實驗。科研團隊改變以往選取1種或少數(shù)幾種培養(yǎng)基的做法，選擇了超過30種的培養(yǎng)基開展實驗。他們采用早晚輪班制，對細胞的生長狀態(tài)進行了實時監(jiān)控，以確保每次取樣都是在細胞穩(wěn)定的狀態(tài)下進行的。在低生長速率條件下，完成一次實驗需要一周時間，為了確保數(shù)據(jù)可靠，實驗還需要重復(fù)，有時甚至重復(fù)超過9次。

經(jīng)過3年多的潛心研究，劉陳立科研團隊最終發(fā)現(xiàn)，原有的兩大法則并不準(zhǔn)確。雖然生長速度越快，細胞越大，但兩者之間的關(guān)系并不符合SMK生長法則的預(yù)期。按照法則描述，無論細胞生長快慢，一旦達到起始質(zhì)量，就應(yīng)該開始新一輪的DNA復(fù)制。然而，劉陳立科研團隊卻在實驗中觀察到，細菌細胞沒有遵循假說，在不同的培養(yǎng)條件下，起始質(zhì)量有高有低。

那么，細菌的大小是由什么來決定的呢？

劉陳立根據(jù)大量科研實驗數(shù)據(jù)背后的量化關(guān)系，最終推演出一個全新且適用于不同生長速率條件的“個體生長分裂方程”。這個新方程統(tǒng)一了不同生長速率條件下的細菌細胞周期調(diào)控機制，使得細菌個體大小、生長速率等自然現(xiàn)象具有了一定的可預(yù)測性。比如，一旦得知細菌生長速率和DNA復(fù)制周期，科學(xué)家便可以根據(jù)公式，準(zhǔn)確預(yù)測出細菌的大小。

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