中国科学家提出了一个新的公式来确定细菌的大小

挑战学术权威的招牌样本

【/h/】不久前，中国科学家挑战两大定律，提出全新配方的消息在微生物界掀起波澜，引起关注。

这是由中国科学院深圳高等技术研究所和深圳合成生物学创新研究所研究员刘领导的研究团队。多年后，他以大肠杆菌为模式生物，揭示了细菌大小的决定因素，推导出了全新的个体生长和分裂方程，并对该领域原有的两个生长规律进行了修正。

今年5月，这一成果的学术论文已由国际学术期刊Nature ·发表；微生物学”，其中提到，这一成果为合成生物学领域中生物的合理设计提供了一个基本原则。随后，记者就这一成果的意义以及科研团队在挑战传统规律的过程中所经历的事情采访了刘的团队。

传统法律

细菌是自然界中分布最广、个体数量最多的单细胞生物。从发酵酸奶的乳酸菌到产生胰岛素的大肠杆菌，可以说细菌充斥了人类生活和科研的方方面面。

当然，和其他肉眼可见的生物一样，细菌有大有小。

刘告诉记者，每一种细菌都有可以遗传的各种大小，这些微小细胞的大小有时可以相差上百万倍:从0.3微米长的特殊胞内致病支原体到600微米长的黑鲷肠道共生菌，再到1毫米长的纳米比亚硫磷菌，肉眼可见。

当然，大一点的细菌很少。大多数已知细菌的直径为0.4-2微米，长度为0.5-5微米。刘说，长期以来，细菌的大小一直是细菌分类学中不可缺少的性状，而特定的大小使细菌更适应其生存环境。

在过去的100年里，生物学家一直在想是什么决定了细胞的大小。在现代，虽然科学家知道大多数控制细菌细胞周期和细胞分裂的分子，但人们仍然不知道如何确定细菌细胞的大小。

20世纪50年代，美国科学家发现细菌细胞生长越快，细胞就越大。更重要的是，这项研究使用了一个数学公式来描述细菌细胞生长率和细胞大小之间的定量关系。

简单来说，只要知道细胞的生长速度，就可以准确推断细胞的大小，反之亦然。这个公式后来被称为smk增长法则。

那么，为什么细胞大小和生长速度有这样的关系呢？

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中的dna何时开始新一轮的复制。当细胞进入复制阶段时，细胞大小与复制起点数量的比率是恒定的。

【/h/】后来这个比值被学术界称为初始质量。刘说，因为细胞呈指数增长，初始质量和时间周期都是恒定的，所以细胞分裂期间的大小与生长速度的指数次方成正比。

这个观点很符合smk的生长规律，回答了细菌大小是如何确定的基本科学问题，称为初始质量不变假说。

从此，这两个统治学术界半个世纪的增长规律紧密相连，就像科研道路上的招牌。他们在这个领域已经建立了60多年的权威。多年来，在这两个规律的指导下，进行了许多研究。

三年一次测试

当然，在过去的半个世纪里，有研究团队对这两个规则的准确性提出了质疑，但由于缺乏系统、全面的实验数据，相关结论并没有引起该领域大多数研究者的重视。

如果要修改主流的细胞生长规则，就必须保证实验数据的完全覆盖和高重复性。刘对说道。

【/h/】他带领团队潜心研究了三年多，系统地重复了两个原理的实验。

【/h/】据本成果论文第一作者、中科院深圳高工所郑海博士介绍，这类研究通常选择一种或几种培养基，而他们则选择30多种培养基进行实验。

我们使用早晚班系统实时监控细胞的生长状态，以确保每次采样都在细胞稳定的状态下进行。郑海告诉记者，在生长速度较低的情况下，完成一个实验需要长达一周的时间，但为了保证数据可靠，需要重复实验，重复次数超过九次。

因此，这个实验成为迄今为止同类研究工作之一，媒体种类最多，增长率覆盖面最广。

郑海表示，研究团队以极大的耐心和严谨的态度，最终发现原来的两条定律并不准确，被视为经典招牌，可能会导致相关领域的研究走向偏差。

虽然生长速度越快，细胞越大，但它们之间的关系并不符合smk生长规律的预期。刘对说道。

根据定律，无论细胞生长得多快，一旦达到初始质量，就应该开始新一轮的dna复制。然而，刘的团队在实验中观察到，细菌细胞并不遵循这一假设，在不同的培养条件下初始质量是高还是低。

【/h/】如果两个定律都不准确，是什么决定了细菌的大小？

我们能纠正& lsquo路标在哪里？

带着这些问题，刘的团队测试了3年。

新等式发布

留着数据，想办法弄清楚。这是刘对团队成员的要求。

这句话也可以用来描述大量科研实验数据背后的数量关系。在实验数据的分析过程中，科研团队最终推导出了一个全新的适合不同生长率的个体生长和分裂方程。

刘说，这个新方程统一了不同生长率下细菌细胞周期的调控机制，这个定量公式也使得细菌个体大小、生长率等自然现象具有一定的可预测性。

例如，一旦知道了细菌的生长速度和dna复制周期，科学家就可以根据公式准确预测细菌的大小。

分裂方程为研究人员提供了新的研究范式和思维方法，解决了细菌细胞大小、dna复制周期和生长率之间的关系，具有广泛的应用价值。刘对说道。

到目前为止，研究小组的探索并没有停止。

这个新方程对于理解细菌细胞周期的控制机制有什么意义？在个体生长方程的约束下，研究团队探讨了细菌细胞分裂的控制机制，提出了与细胞生长和染色体复制分离相关的分子机制新假说。当其积累达到一定阈值时，细胞就会分裂。

在此基础上，刘团队建立了相应的数学模型，并进一步通过实验验证了理论预测。

对于人类社会来说，很难说一个新的等式意味着什么。

【/h/】在物理世界中，伯努利方程指导飞行器的设计，阿基米德浮力定律推动潜艇的出现，牛顿第二定律是人类翱翔的理论基石。

那么合成生物学领域的方程呢？

刘告诉记者，合成生物学的最终目标是在生物世界中实现合理的设计、改造或创造，以满足人类不同的需求。

今天的研究成果再次证实了定量思维方法在生命科学研究中的重要性。刘说:我们找到的每一个操作规则，都是试图找到一种方法来指导生命形式的设计、改造和重建&现状；图纸。

【/h/】在他看来，这项关于细菌单个细胞相关的数量规律和规则的基础科学问题的研究，为人类揭示和理解生物体内的原理提供了重要的参考，同时这项研究也有利于未来合成生物学领域的合理设计和构建，以满足抗生素替代等更为脑洞式的应用需求。

中国青年报& middot中青网记者邱