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光明网细菌大小是怎么决定的？


细菌 ， 是自然界分布最广、个体数量最多的单细胞生命体 。 从负责发酵酸奶的乳酸菌到生产胰岛素的大肠杆菌 ， 细菌充斥于人类生活和科学研究的方方面面 。 每种细菌有着各式各样的可遗传继承的大小 ， 这些微小细胞的体积有时可以相差106-108倍 ， 从0.3微米长的专性胞内病源菌支原体(Mycoplasma) ， 到600微米长的刺尾鲷肠道内共生菌费氏刺骨鱼菌(Epulopiscium fishelsoni) ， 再到生长在纳米比亚海边肉眼可见的1毫米长的纳米比亚嗜硫珠菌(Thiomargarita namibiensis) 。 当然 ， 较大的细菌是极少数的 ， 大多数已知细菌的直径在0.4至2微米之间 ， 长度在0.5至5微米之间 。
细菌的大小不仅呈现多样化 ， 而且很稳定 。 即使在温度高达100度以上的热液口、盐浓度高达5摩尔的盐湖、离子放射性强度超过人类致死剂量1000倍等条件下 ， 这些环境中的细菌细胞仍然保持特定的大小 。 长久以来 ， 细菌的大小一直是细菌分类学中一个不可缺少的性状 ， 同时特定的大小使得细菌能更适应其生存环境 。 过去100年来 ， 生物学家一直想知道是什么决定了细胞的大小 。 在近代 ， 虽然我们知道了大部分控制细菌细胞周期和细胞分裂的分子 ， 但我们仍然不知道细菌细胞的大小是如何确定的（图1） 。

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本文插图

图1不同大小的细菌细胞
5月18日 ， 国际权威学术期刊《自然?微生物学》发表了中国科学院深圳先进技术研究院、深圳合成生物学创新研究院刘陈立实验室的文章《链接大肠杆菌细胞生长和细胞周期的一般定量关系》 ， 该文章以大肠杆菌为模式生物 ， 揭秘了细菌大小的决定因素 ， 推导出了全新的“个体生长分裂方程” ， 修正了该领域原有的两大生长法则 ， 并对合成生物学领域生命体理性设计提供了相关建构基础原理 。
追根溯源 修正原有法则
早在上世纪50年代 ， 美国科学家Schaechter等发现细菌细胞长得越快 ， 细胞就越大 。 更为重要的是 ， 该研究突破性地用一个数学公式描述了细菌细胞生长速度和细胞大小之间的定量关系 ， 即是说只要知道细胞生长快慢 ， 就可以准确推断出细胞大小 ， 反之亦然 。 这一公式后被称为"SMK生长法则" 。
那么 ， 细胞大小和生长速度为什么存在这样的关系呢？1968年 ， Donachie在《自然》杂志上发表了他的观点 。 他认为 ， 细胞大小决定了细胞内DNA何时开始新一轮复制 。 当细胞进入复制阶段时 ， 细胞大小和复制起点数的比值是恒定不变的 。 这一比值被称为“起始质量” ， 且“起始质量”与生长速率无关 。 开始新一轮DNA复制后 ， 经过恒定的时间周期 ， 细胞分裂 。
由于细胞是指数生长 ， 起始质量及时间周期恒定 ， 因此分裂时细胞的大小正比于生长速率的指数次方 。 这一观点很好的契合了SMK生长法则 ， 回答了“细菌大小是怎么决定的”这一基础科学问题 ， 被称为“恒定起始质量假说” 。
一测到底 展开三年漫长研究
这两个统治了学术界半个世纪的生长法则环环相扣 ， 就像科研道路上的“指路牌” ， 在该领域树立权威六十年 ， 多年来许许多多的研究在两大法则的指引下开展；也有一些研究团队对这两个法则的准确性提出过质疑 ， 但由于缺乏系统全面的实验数据 ， 相关结论并未引起领域内大部分研究人员的重视 。 要想修正主流细胞生长法则 ， 必须要确保实验数据完整的覆盖度以及高度的可重复性 ， 刘陈立团队潜心3年多研究 ， 对两大法则进行了系统性重复实验 。
“通常的该类研究会选取1种或少数几种培养基 ， 而我们选择了超过30种培养基开展实验 ， 我们采用早晚轮班制 ， 对细胞的生长状态进行实时监控 ， 以确保每次取样都是在细胞稳定状态下进行的 ， ”该文章的第一作者郑海博士介绍说 ， “在低生长速率条件下 ， 完成一次实验所需时间长达一周 ， 而为确保数据可靠 ， 实验还需要重复 ， 重复次数多的超过9次以上 。 ”这是迄今为止有报道的类似研究工作中选用培养基种类最多、覆盖生长速率范围最广的一次 。


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