揭秘“细菌大小是怎么决定的？”(2)

带着极大的耐心和严谨的态度，团队最终发现，原有的两大法则并不准确，被奉为经典的“指路牌”可能将大家的研究引向了偏离的方向。“虽然生长速度越快，细胞越大，但二者之间的关系并不符合SMK生长法则的预期”，该文章通讯作者刘陈立研究员说，“按照法则描述，无论细胞生长快慢，一旦达到‘起始质量’，就应该开始新一轮的DNA复制，然而，我们却在实验中观察到，细菌细胞没有遵循假说，不同培养条件下，‘起始质量’有高有低。”

如果两大法则并不准确，那么细菌大小是怎么决定的呢？我们能否修正“指路牌”呢？

玩转数据 推导全新定量关系

为了回答“细菌大小是怎么决定的”这一科学问题。刘陈立这样描述实验数据分析的过程：“要和数据呆在一起，揣摩它。”研究团队通过寻找大量科研实验数据背后的量化关系，最终推演出一个全新且适用于不同生长速率条件的“个体生长分裂方程”。

新的方程统一了不同生长速率条件下的细菌细胞周期调控机制，这一定量公式的提出也使得细菌个体大小、生长速率等自然现象具有了一定的可预测性，例如：当得知细菌生长速率和DNA复制周期，便可准确预测出细菌的大小。该分裂方程为研究人员提供了新的研究范式和思维方法，解答了细菌细胞大小和DNA复制周期以及生长速度之间的关系，具有广泛应用价值。

“个体生长方程”对理解细菌细胞周期的控制机制有什么意义呢？在“个体生长方程”的约束下，研究团队对细菌细胞分裂的控制机制进行了探讨。并以此为基础提出了一个全新的分子机制假说，认为存在一种“分裂许可物”，它与“细胞生长”和“染色体复制分离”相关。当它积累达到一定阈值时，细胞就会分裂。研究团队在此基础上建立了相应的数学模型，进一步的实验验证了理论预测。

从数学公式到建构生命体理性设计基础

在物理世界，“伯努利方程”指导了飞机的设计，“阿基米德浮力定律”推动了潜艇的面世，“牛顿第二定律”是人类得以翱翔太空的理论基石，合成生物学的终极目标就是生物世界实现理性设计、改造现有生命形式或者创造全新的生命形式以满足人类不同的需求。

以“合成生物学”为研究导向，刘陈立团队继去年揭示细菌群体迁徙公式后，在定量生物学领域再度实现突破，“研究再次证实了定量的思维方法在生命科学研究中的重要性，我们找到的每一个运行规律，都是试图找到可用于指导设计、改造、重建生命形式的‘图纸’。”刘陈立表示。此次对细菌个体细胞相关定量规律和法则的基础科学问题研究，对人类揭示并理解生命体内在原理提供了重要的参考依据，此研究也有助于未来合成生物学领域的理性设计和建构，以满足细菌治疗疾病、抗生素替代、绿色生物制造等多个应用层面的需要。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41564-020-0717-x

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