5月18日，國際權威學術期刊《自然·微生物學》發表了中國科學院深圳先進技術研究院、深圳合成生物學創新研究院劉陳立實驗室的文章《連結大腸桿菌細胞生長和細胞周期的一般定量關係》。
該文章以大腸桿菌為模式生物，揭秘了細菌大小的決定因素，推導出了全新的「個體生長分裂方程」，修正了該領域原有的兩大生長法則，並對合成生物學領域生命體理性設計提供了相關建構基礎原理。
細菌，是自然界分布最廣、個體數量最多的單細胞生命體。從負責發酵酸奶的乳酸菌到生產胰島素的大腸桿菌，細菌充斥於人類生活和科學研究的方方面面。每種細菌有著各式各樣的可遺傳繼承的大小，這些微小細胞的體積有時可以相差106-108倍。那麼究竟是什麼決定了細胞的大小呢？
修正原有法則
揭示細胞生長全新定量關係
劉陳立團隊通過尋找大量科研實驗數據背後的量化關係，發現了一個全新且適用於不同生長速率條件的「個體生長分裂方程」。
這個方程式揭示了細菌細胞的大小是由生長速度和染色體複製周期共同決定。這一研究修正了半個世紀以來學術界主流的細菌細胞生長法則，即「SMK生長法則」和「恆定起始質量假說」。
「SMK生長法則」認為，只要知道細胞生長快慢，就可以準確推斷出細胞大小，反之亦然。「恆定起始質量假說」則認為，細胞大小決定了細胞內DNA何時開始新一輪複製，經過恆定的時間周期，細胞就會分裂。當細胞進入複製階段時，細胞大小和複製起點數的比值是恆定不變的。
然而這兩個統治了學術界半個世紀的生長法則，是否經得起進一步深入系統性實驗的檢驗，劉陳立團隊發出疑問，最終通過大量的數據驗證，推導出了「個體生長分裂方程」，並以此為基礎，提出了全新的分子機制假說，認為存在一種「分裂許可物」，它與「細胞生長」和「染色體複製分離」相關。當它積累達到一定閾值時，細胞就會分裂。研究團隊在此基礎上建立了相應的數學模型，進一步用實驗驗證了理論預測。
三年磨一劍
建構生命體理性設計基礎
為了確保實驗數據的完整覆蓋度及高度可重複性，劉陳立團隊經過3年多的潛心研究，對原有的兩大法則進行了系統性重複試驗。
該文章的第一作者鄭海博士介紹說：「通常的該類研究會選取1種或少數幾種培養基，而我們選擇了超過30種培養基開展實驗，我們採用早晚輪班制，對細胞的生長狀態進行實時監控，以確保每次取樣都是在細胞穩定狀態下進行的。在低生長速率條件下，完成一次實驗所需時間長達一周，而為確保數據可靠，實驗還需要重複，重複次數多的超過9次以上。」這是迄今為止有報導的類似研究工作中，選用培養基種類最多、覆蓋生長速率範圍最廣的一次。
這不是劉陳立實驗室第一次用定量分析方法來揭示生物學基礎原理。早在去年，劉陳立團隊就曾在《自然》上發表文章，揭示了細菌群體遷徙公式。而這次對細菌個體細胞相關定量規律和法則的基礎科學問題研究，對人類揭示並理解生命體內在原理提供了重要的參考依據，此研究也有助於未來合成生物學領域的理性設計和建構，以滿足細菌治療疾病、抗生素替代、綠色生物製造等多個應用層面的需要。
南方日報記者 王春豔