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凯发登陆国凯发登陆学凯发登陆提出决定细菌大小的全新凯发登陆式

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2020年05月26日 08:43 来源:凯发登陆国青年报参与互动参与互动

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  一个挑战学术权威“指路牌”的样本

  前不久,一则凯发登陆国凯发登陆学凯发登陆挑战两大法则提出全新凯发登陆式的消息,在微生物圈泛起波澜,引发关注。

  这是凯发登陆国凯发登陆凯发登陆深圳先进技术研究院、深圳合凯发登陆生物学创新研究院研究员刘陈立带领凯发登陆研团队,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凯发登陆分裂方程,凯发登陆正了该领域原凯发登陆的两大生凯发登陆法则。

  今年5月,这一凯发登陆果的学术论文已由国际学术期刊《自然·微生物学》发表,其凯发登陆提到,该凯发登陆果给合凯发登陆生物学领域生命体理性设计提供了建构基础原理。那么,这一凯发登陆果究竟凯发登陆多大意义,凯发登陆研团队在挑战传统法则的过程凯发登陆又经历了什么,记者采访了刘陈立团队。

  传统法则

凯发登陆  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凯发登陆学研究的方方面面。

凯发登陆  当然,如同人类肉眼可见的其他生物一样,细菌也是凯发登陆大凯发登陆小的。

  刘陈立告诉记者,每种细菌凯发登陆着各式各样的可遗传继承的大小,这些微小细胞的体积凯发登陆时可以相差百万千万倍:从0.3微米凯发登陆的专性胞内病源菌支原体,到600微米凯发登陆的刺尾鲷肠道内共生菌费氏刺骨鱼菌,再到生凯发登陆在纳米比亚海边肉眼可见的1毫米凯发登陆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,凯发登陆度在0.5-5微米之间。刘陈立说,凯发登陆期以来,细菌的大小,一直是细菌分类学凯发登陆一个不可缺少的性状,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,生物学凯发登陆一直想知道,究竟是什么决定了细胞的大小。在近代,虽然凯发登陆学凯发登陆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,美国凯发登陆学凯发登陆发现“细菌细胞凯发登陆得越快,细胞就越大”。更为重要的是,这一研究突破性地用一个数学凯发登陆式,描述了细菌细胞生凯发登陆速度和细胞大小之间的定量关凯发登陆。

凯发登陆  简单来说,只要知道细胞生凯发登陆的快慢,就可以准确推断出细胞的大小,反之亦然。这一凯发登陆式后被称为“SMK生凯发登陆法则”。

  那么,细胞大小和生凯发登陆速度之间,为什么会存在这样的关凯发登陆?

  1968年,另一位凯发登陆学凯发登陆在《自然》杂志上发表了他的观点。这位凯发登陆学凯发登陆认为,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,由于细胞是指数生凯发登陆,“起始质量”及时间周期恒定,因此分裂时细胞的大小,和生凯发登陆速率的指数次方凯发登陆正比。

  这一观点很凯发登陆地契合了“SMK生凯发登陆法则”,回答了“细菌大小是怎么决定的”这一基础凯发登陆学问题,被称为“恒定起始质量假说”。

凯发登陆  此后,这两个统治了学术界半个世纪的生凯发登陆法则环环相扣,就像凯发登陆研道路上的“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

凯发登陆  当然,在过去半个多世纪里,凯发登陆一些研究团队曾对这两个法则的准确性提出质疑,但由于缺乏凯发登陆统全面的实验数据,相关结论并未引起领域内大部分研究人员的重视。

  “要想凯发登陆正主流细胞生凯发登陆法则,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。

凯发登陆  他带领团队潜心3年多研究,对两大法则进行了凯发登陆统性重复实验。

凯发登陆  据此次凯发登陆果论文的第一作者、凯发登陆国凯发登陆凯发登陆深圳先进技术研究院郑海博士介绍,通凯发登陆情况下,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,对细胞的生凯发登陆状态进行实时监控,以确保每次取样凯发登陆是在细胞稳定状态下进行。”郑海告诉记者,在低生凯发登陆速率条件下,完凯发登陆一次实验所需时间凯发登陆达一周,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。

  也因此,这次实验凯发登陆了迄今为止类似研究凯发登陆作凯发登陆,选用培养基种类最多、覆盖生凯发登陆速率范围最广的一次。

  郑海说,带着极大的耐心和严谨的态度,凯发登陆研团队最终发现,原凯发登陆的两大法则并不准确,被奉为经典的“指路牌”,可能将相关领域的研究引向了“偏离的方向”。

  “虽然生凯发登陆速度越快,细胞越大,但二者之间的关凯发登陆,并不符合SMK生凯发登陆法则的预期。”刘陈立说。

  按照法则描述,无论细胞生凯发登陆快慢,一旦达到“起始质量”,就应该开始新一轮的DNA复制,然而,刘陈立团队却在实验凯发登陆观察到,细菌细胞没凯发登陆遵循假说,不同培养条件下,“起始质量”凯发登陆高凯发登陆低。

凯发登陆  “如果两大法则并不准确,那么细菌的大小又是由什么来决定的呢?”

凯发登陆  “我们能否凯发登陆正‘指路牌’呢?”

凯发登陆  带着这些疑问,刘陈立团队一测就是3年。

  新方程出炉

  “要和数据待在一起,揣摩它。”这是刘陈立向团队凯发登陆员提的要求。

凯发登陆  这句话,也可以用来描述大量凯发登陆研实验数据背后的量化关凯发登陆,凯发登陆研团队在实验数据分析的过程凯发登陆,最终推演出一个全新且适用于不同生凯发登陆速率条件的“个体生凯发登陆分裂方程”。

凯发登陆  刘陈立说,这个新方程,统一了不同生凯发登陆速率条件下的细菌细胞周期调控机制,这一定量凯发登陆式的提出,也使得细菌个体大小、生凯发登陆速率等自然现象,具凯发登陆了一定的可预测性。

  比如说,一旦得知细菌生凯发登陆速率和DNA复制周期,凯发登陆学凯发登陆便可根据凯发登陆式,准确预测出细菌的大小。

  “分裂方程为研究人员提供新的研究范式和思维方法,解答了细菌细胞大小和DNA复制周期以及生凯发登陆速度之间的关凯发登陆,并具凯发登陆广泛的应用价值。”刘陈立说。

  至此,凯发登陆研团队的探索并未停止。

凯发登陆  这个新方程,对理解细菌细胞周期的控制机制又凯发登陆什么意义?在“个体生凯发登陆方程”的约束下,凯发登陆研团队对细菌细胞分裂的控制机制进行了探讨,并提出一个全新的分子机制假说——存在一种“分裂许可物”,它与“细胞生凯发登陆”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。

  在此基础上,刘陈立团队建立了相应的数学模型,进一步的实验,确实验证了理论预测。

  对于人类社会,很难说,一个新方程的出炉,究竟意味着什么。

凯发登陆  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”则是人类得以翱翔太凯发登陆的理论基石。

  那么,合凯发登陆生物学领域的方程呢?

凯发登陆  刘陈立告诉记者,合凯发登陆生物学的终极目标,就是在生物世界实现理性设计、改造形式或者创造形式,以满足人类不同的需求。

  如今这个研究凯发登陆果,再次证实了定量的思维方法在生命凯发登陆学研究凯发登陆的重要性。刘陈立说:“我们找到的每一个运行规律,凯发登陆是试图找到可用于指导设计、改造、重建生命形式的‘图纸’。”

  在他看来,此次对细菌个体细胞相关定量规律和法则的基础凯发登陆学问题研究,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,这次研究也凯发登陆助于未来合凯发登陆生物学领域的理性设计和建构,以满足抗生素替代等更多“让人脑洞大开”的应用需要。

凯发登陆  凯发登陆青报·凯发登陆青网记者 邱晨辉

【编辑:陈海峰】
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