5月18日，國際權威學術期刊《自然•微生物學》（Nature microbiology））在線發表了來自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論文，題為「連結大腸桿菌細胞生長和細胞周期的一般定量關係」。
該研究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。
而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。研究團隊指出，細菌的大小不僅呈現多樣化，而且很穩定。即使在溫度高達100度以上的熱液口、鹽濃度高達5摩爾的鹽湖、離子放射性強度超過人類致死劑量1000倍等條件下，這些環境中的細菌細胞仍然保持特定的大小。不同大小的細菌細胞。
在現代定量微生物學領域中，「SMK生長法則」是首個被發現的定量規律，與「恆定起始質量假說」相輔相成，形成的研究思維範式主導了細菌細胞周期相關研究領域長達半個多世紀之久。為深入探索細菌細胞分裂的機制，劉陳立團隊對兩大法則進行了驗證。
劉陳立團隊歷時3年多，選取超過30種培養基開展實驗，是迄今為止在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項研究。在數百次取樣，測定數千個定量數據後，細菌細胞的生命周期逐漸清晰起來。該文章的第一作者鄭海博士介紹說，「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。」
研究結果顯示，儘管細胞的平均大小隨著生長速率的升高，數據卻並不符合 「SMK生長法則」提出的定量公式；此外，研究發現，假說中認為細胞DNA複製前的恆定比值也並非一成不變，而是根據生長速率的升高，呈現先上升後下降的變化趨勢。這說明奠定現代定量微生物學研究領域兩大法則可能並不準確。
劉陳立表示，「按照法則描述，無論細胞生長快慢，一旦達到『起始質量』，就應該開始新一輪的DNA複製，然而，我們卻在實驗中觀察到，細菌細胞沒有遵循假說，不同培養條件下，『起始質量』有高有低。」
如果兩大法則並不準確，那麼細菌大小是怎麼決定的？為回答這一科學問題，劉陳立團隊通過尋找大量科研實驗數據背後的量化關係，最終推演出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」。個體生長分裂方程。
新的方程統一了不同生長速率條件下的細菌細胞周期調控機制，這一定量公式的提出也使得細菌個體大小、生長速率等自然現象具有了一定的可預測性，例如：當得知細菌生長速率和DNA複製周期，便可準確預測出細菌的大小。該分裂方程為研究人員提供新的研究範式和思維方法，解答細菌細胞大小和DNA複製周期以及生長速度之間的關係，並具有廣泛的應用價值。
「個體生長方程」對理解細菌細胞周期的控制機制有什麼意義呢？在「個體生長方程」的約束下，研究團隊對細菌細胞分裂的控制機制進行了探討。並以此為基礎提出了一個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，進一步的實驗確實驗證了理論預測。
值得一提的是，在劉陳立看來，合成生物學的終極目標就是生物世界實現理性設計、改造現有生命形式或者創造全新的生命形式以滿足人類不同的需求。以「合成生物學」為研究導向，劉陳立團隊去年還揭示了細菌群體遷徙公式。
此次這項研究「再次證實了定量的思維方法在生命科學研究中的重要性，我們找到的每一個運行規律，都是試圖找到可用於指導設計、改造、重建生命形式的『圖紙』。」劉陳立表示。
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