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科学中国科学家提出决定细菌大小的全新公式

中国科学家提出决定细菌大小的全新公式
一个挑战学术权威“指路牌”的样本
前不久 ， 一则中国科学家挑战两大法则提出全新公式的消息 ， 在微生物圈泛起波澜 ， 引发关注 。
这是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研究员刘陈立带领科研团队 ， 历时多年以大肠杆菌为模式生物 ， 揭秘细菌大小的决定因素 ， 推导出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 。
今年5月 ， 这一成果的学术论文已由国际学术期刊《自然·微生物学》发表 ， 其中提到 ， 该成果给合成生物学领域生命体理性设计提供了建构基础原理 。 那么 ， 这一成果究竟有多大意义 ， 科研团队在挑战传统法则的过程中又经历了什么 ， 记者采访了刘陈立团队 。
传统法则
细菌 ， 是自然界分布最广、个体数量最多的单细胞生命体 。 从发酵酸奶的乳酸菌 ， 到生产胰岛素的大肠杆菌 ， 可以说 ， 细菌充斥于人类生活和科学研究的方方面面 。
当然 ， 如同人类肉眼可见的其他生物一样 ， 细菌也是有大有小的 。
刘陈立告诉记者 ， 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百万千万倍：从0.3微米长的专性胞内病源菌支原体 ， 到600微米长的刺尾鲷肠道内共生菌费氏刺骨鱼菌 ， 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 。
当然 ， 较大的细菌是极少数的 ， 大多数已知细菌的直径在0.4-2微米之间 ， 长度在0.5-5微米之间 。 刘陈立说 ， 长期以来 ， 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更能适应其生存环境 。
过去100年来 ， 生物学家一直想知道 ， 究竟是什么决定了细胞的大小 。 在近代 ， 虽然科学家知道了大部分控制细菌细胞周期和细胞分裂的分子 ， 但人们仍然不知道细菌细胞的大小是如何确定的 。
上世纪50年代 ， 美国科学家发现“细菌细胞长得越快 ， 细胞就越大” 。 更为重要的是 ， 这一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 。
简单来说 ， 只要知道细胞生长的快慢 ， 就可以准确推断出细胞的大小 ， 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之间 ， 为什么会存在这样的关系？
1968年 ， 另一位科学家在《自然》杂志上发表了他的观点 。 这位科学家认为 ， 细胞的大小 ， 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 。
后来 ， 这一比值被学界称为“起始质量” 。 刘陈立说 ， 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 ， 和生长速率的指数次方成正比 。
这一观点很好地契合了“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” 。
此后 ， 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”一样 ， 在这一领域树立权威60多年 ， 多年来许许多多的研究 ， 在两大法则的指引下开展 。
一测三年
当然 ， 在过去半个多世纪里 ， 有一些研究团队曾对这两个法则的准确性提出质疑 ， 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 。 ”刘陈立说 。
他带领团队潜心3年多研究 ， 对两大法则进行了系统性重复实验 。
据此次成果论文的第一作者、中国科学院深圳先进技术研究院郑海博士介绍 ， 通常情况下 ， 此类研究会选取1种或少数几种培养基 ， 而他们选择了超过30种的培养基开展实验 。
“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 。 ”郑海告诉记者 ， 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 。


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