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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設(shè)國際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國科學(xué)院辦院方針

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【中國科學(xué)報(bào)】細(xì)菌大小如何定？這個(gè)方程來揭秘

2020-05-20 中國科學(xué)報(bào) 刁雯蕙嚴(yán)偲偲

【字體：大中小】

語音播報(bào)

　　在近代，雖然科學(xué)家知道了大部分控制細(xì)菌細(xì)胞周期和細(xì)胞分裂的分子，但對細(xì)菌細(xì)胞的大小是如何確定的仍不清楚。

　　5月18日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院劉陳立團(tuán)隊(duì)以大腸桿菌為模式生物，揭秘了細(xì)菌大小的決定因素。相關(guān)成果論文發(fā)表于《自然—微生物學(xué)》。該研究推導(dǎo)出了“個(gè)體生長分裂方程”，修正了該領(lǐng)域原有的兩大生長法則，為合成生物學(xué)領(lǐng)域生命體理性設(shè)計(jì)提供了相關(guān)建構(gòu)基礎(chǔ)原理。

　　追根溯源展開三年漫長研究

　　早在上世紀(jì)50年代，美國科學(xué)家Schaechter等發(fā)現(xiàn)細(xì)菌細(xì)胞長得越快，細(xì)胞就越大，他們突破性地用一個(gè)數(shù)學(xué)公式描述了細(xì)菌細(xì)胞生長速度和其大小之間的定量關(guān)系，即只要知道細(xì)胞生長快慢，就可以準(zhǔn)確推斷出大小，反之亦然。這一公式后被稱為“SMK生長法則”。

　　1968年，Donachie在《自然》雜志上對細(xì)胞大小和生長速度為什么存在上述關(guān)系進(jìn)行了闡釋。他認(rèn)為細(xì)胞大小決定了細(xì)胞內(nèi)DNA何時(shí)開始新一輪復(fù)制。當(dāng)細(xì)胞進(jìn)入復(fù)制階段時(shí)，其大小和復(fù)制起點(diǎn)數(shù)的比值是恒定不變的。這一比值被稱為“起始質(zhì)量”，且“起始質(zhì)量”與生長速率無關(guān)。

　　由于細(xì)胞是指數(shù)生長，起始質(zhì)量和時(shí)間周期恒定，因此分裂時(shí)細(xì)胞的大小正比于生長速率的指數(shù)次方。這一觀點(diǎn)很好地契合了SMK生長法則，被稱為“恒定起始質(zhì)量假說”。

　　這兩個(gè)主流細(xì)胞生長法則環(huán)環(huán)相扣，要想修正它們，必須確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完整的覆蓋度和高度的可重復(fù)性。為此，劉陳立團(tuán)隊(duì)潛心研究3年多，對兩大法則進(jìn)行了系統(tǒng)性重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

　　一測到底 “起始質(zhì)量”有高有低

　　“我們選擇了超過30種培養(yǎng)基開展實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)研究人員采用早晚輪班制，對細(xì)胞的生長狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以確保每次取樣都是在細(xì)胞穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行的?！痹撐恼碌谝蛔髡哙嵑＝榻B說，在低生長速率條件下，完成一次實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間長達(dá)一周，而為確保數(shù)據(jù)可靠，實(shí)驗(yàn)還需要多次重復(fù)，最多甚至需重復(fù)9次以上。這是迄今為止有報(bào)道的類似研究工作中選用培養(yǎng)基種類最多、覆蓋生長速率范圍最廣的。

　　經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)原有的兩大法則并不準(zhǔn)確?！半m然生長速度越快，細(xì)胞越大，但兩者之間的關(guān)系并不符合SMK生長法則的預(yù)期。”該文章通訊作者劉陳立說，“按照法則描述，無論細(xì)胞生長速度快慢，一旦達(dá)到‘起始質(zhì)量’，就應(yīng)該開始新一輪的DNA復(fù)制，然而，我們卻在實(shí)驗(yàn)中觀察到，細(xì)菌細(xì)胞沒有遵循假說，不同培養(yǎng)條件下，‘起始質(zhì)量’有高有低?！?/p>

　　玩轉(zhuǎn)數(shù)據(jù) 推導(dǎo)全新定量關(guān)系

　　為了重新回答“細(xì)菌大小是怎么決定的”，研究團(tuán)隊(duì)通過尋找大量科研實(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速率條件的“個(gè)體生長分裂方程”。

　　新的方程統(tǒng)一了不同生長速率條件下細(xì)菌細(xì)胞周期調(diào)控機(jī)制，這一定量公式也使得細(xì)菌個(gè)體大小、生長速率等自然現(xiàn)象具有了一定的可預(yù)測性。例如：當(dāng)?shù)弥?xì)菌生長速率和DNA復(fù)制周期，便可準(zhǔn)確預(yù)測其大小。

　　在“個(gè)體生長分裂方程”的約束下，研究團(tuán)隊(duì)對細(xì)菌細(xì)胞分裂的控制機(jī)制進(jìn)行了探討，提出了全新分子機(jī)制假說。他們認(rèn)為存在一種“分裂許可物”，它與“細(xì)胞生長”和“染色體復(fù)制分離”相關(guān)。當(dāng)它達(dá)到一定閾值時(shí)，細(xì)胞就會分裂。

　　該研究是劉陳立團(tuán)隊(duì)繼去年揭示細(xì)菌群體遷徙公式后，以“合成生物學(xué)”為研究導(dǎo)向，在定量生物學(xué)領(lǐng)域的再度突破。

　　“研究再次證實(shí)了定量的思維方法在生命科學(xué)研究中的重要性，我們試圖從找到的每一個(gè)運(yùn)行規(guī)律中發(fā)現(xiàn)可用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)、改造、重建生命形式的‘圖紙’?！眲㈥惲⒈硎?。此次研究有助于未來合成生物學(xué)領(lǐng)域的理性設(shè)計(jì)和建構(gòu)，以滿足細(xì)菌治療疾病、抗生素替代、綠色生物制造等多個(gè)應(yīng)用層面的需要。

　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41564-020-0717-x

　?。ㄔd于《中國科學(xué)報(bào)》 2020-05-20 第1版要聞)

　　在近代，雖然科學(xué)家知道了大部分控制細(xì)菌細(xì)胞周期和細(xì)胞分裂的分子，但對細(xì)菌細(xì)胞的大小是如何確定的仍不清楚。
　　5月18日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院劉陳立團(tuán)隊(duì)以大腸桿菌為模式生物，揭秘了細(xì)菌大小的決定因素。相關(guān)成果論文發(fā)表于《自然—微生物學(xué)》。該研究推導(dǎo)出了“個(gè)體生長分裂方程”，修正了該領(lǐng)域原有的兩大生長法則，為合成生物學(xué)領(lǐng)域生命體理性設(shè)計(jì)提供了相關(guān)建構(gòu)基礎(chǔ)原理。
　　追根溯源展開三年漫長研究
　　早在上世紀(jì)50年代，美國科學(xué)家Schaechter等發(fā)現(xiàn)細(xì)菌細(xì)胞長得越快，細(xì)胞就越大，他們突破性地用一個(gè)數(shù)學(xué)公式描述了細(xì)菌細(xì)胞生長速度和其大小之間的定量關(guān)系，即只要知道細(xì)胞生長快慢，就可以準(zhǔn)確推斷出大小，反之亦然。這一公式后被稱為“SMK生長法則”。
　　1968年，Donachie在《自然》雜志上對細(xì)胞大小和生長速度為什么存在上述關(guān)系進(jìn)行了闡釋。他認(rèn)為細(xì)胞大小決定了細(xì)胞內(nèi)DNA何時(shí)開始新一輪復(fù)制。當(dāng)細(xì)胞進(jìn)入復(fù)制階段時(shí)，其大小和復(fù)制起點(diǎn)數(shù)的比值是恒定不變的。這一比值被稱為“起始質(zhì)量”，且“起始質(zhì)量”與生長速率無關(guān)。
　　由于細(xì)胞是指數(shù)生長，起始質(zhì)量和時(shí)間周期恒定，因此分裂時(shí)細(xì)胞的大小正比于生長速率的指數(shù)次方。這一觀點(diǎn)很好地契合了SMK生長法則，被稱為“恒定起始質(zhì)量假說”。
　　這兩個(gè)主流細(xì)胞生長法則環(huán)環(huán)相扣，要想修正它們，必須確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完整的覆蓋度和高度的可重復(fù)性。為此，劉陳立團(tuán)隊(duì)潛心研究3年多，對兩大法則進(jìn)行了系統(tǒng)性重復(fù)實(shí)驗(yàn)。
　　一測到底 “起始質(zhì)量”有高有低
　　“我們選擇了超過30種培養(yǎng)基開展實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)研究人員采用早晚輪班制，對細(xì)胞的生長狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以確保每次取樣都是在細(xì)胞穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行的?！痹撐恼碌谝蛔髡哙嵑＝榻B說，在低生長速率條件下，完成一次實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間長達(dá)一周，而為確保數(shù)據(jù)可靠，實(shí)驗(yàn)還需要多次重復(fù)，最多甚至需重復(fù)9次以上。這是迄今為止有報(bào)道的類似研究工作中選用培養(yǎng)基種類最多、覆蓋生長速率范圍最廣的。
　　經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)原有的兩大法則并不準(zhǔn)確?！半m然生長速度越快，細(xì)胞越大，但兩者之間的關(guān)系并不符合SMK生長法則的預(yù)期?！痹撐恼峦ㄓ嵶髡邉㈥惲⒄f，“按照法則描述，無論細(xì)胞生長速度快慢，一旦達(dá)到‘起始質(zhì)量’，就應(yīng)該開始新一輪的DNA復(fù)制，然而，我們卻在實(shí)驗(yàn)中觀察到，細(xì)菌細(xì)胞沒有遵循假說，不同培養(yǎng)條件下，‘起始質(zhì)量’有高有低?！?br/>　　玩轉(zhuǎn)數(shù)據(jù) 推導(dǎo)全新定量關(guān)系
　　為了重新回答“細(xì)菌大小是怎么決定的”，研究團(tuán)隊(duì)通過尋找大量科研實(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速率條件的“個(gè)體生長分裂方程”。
　　新的方程統(tǒng)一了不同生長速率條件下細(xì)菌細(xì)胞周期調(diào)控機(jī)制，這一定量公式也使得細(xì)菌個(gè)體大小、生長速率等自然現(xiàn)象具有了一定的可預(yù)測性。例如：當(dāng)?shù)弥?xì)菌生長速率和DNA復(fù)制周期，便可準(zhǔn)確預(yù)測其大小。
　　在“個(gè)體生長分裂方程”的約束下，研究團(tuán)隊(duì)對細(xì)菌細(xì)胞分裂的控制機(jī)制進(jìn)行了探討，提出了全新分子機(jī)制假說。他們認(rèn)為存在一種“分裂許可物”，它與“細(xì)胞生長”和“染色體復(fù)制分離”相關(guān)。當(dāng)它達(dá)到一定閾值時(shí)，細(xì)胞就會分裂。
　　該研究是劉陳立團(tuán)隊(duì)繼去年揭示細(xì)菌群體遷徙公式后，以“合成生物學(xué)”為研究導(dǎo)向，在定量生物學(xué)領(lǐng)域的再度突破。
　　“研究再次證實(shí)了定量的思維方法在生命科學(xué)研究中的重要性，我們試圖從找到的每一個(gè)運(yùn)行規(guī)律中發(fā)現(xiàn)可用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)、改造、重建生命形式的‘圖紙’?！眲㈥惲⒈硎?。此次研究有助于未來合成生物學(xué)領(lǐng)域的理性設(shè)計(jì)和建構(gòu)，以滿足細(xì)菌治療疾病、抗生素替代、綠色生物制造等多個(gè)應(yīng)用層面的需要。
　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41564-020-0717-x
　?。ㄔd于《中國科學(xué)報(bào)》 2020-05-20 第1版要聞)
　　

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