决定细菌大小的公式

梁水源

一个新方程的出炉意味着什么？在物理界，“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。那么，合成生物学领域的方程呢？2020年5月，中国科学家提出了决定细菌大小的全新公式。

众所周知，细菌是生物的主要类群之一，它会对人类的活动产生很大影响，从发酵酸奶的乳酸菌，到生产胰岛素的大肠杆菌，细菌充斥于人类的生活和科学研究的方方面面。细菌的个体总体非常小，但细菌和其他生物一样，也是有大有小的。生物学家一直想知道，究竟是什么决定了细胞的大小。

20世纪50年代，美国科学家发现细菌细胞长得越快，细胞就会越大，还突破性地用一个数学公式描述了细菌细胞生长速度和细胞大小之间的定量关系，这个公式被称为SMK生长法则。1968年，另一位科学家认为细胞的大小决定了细胞内DNA何时开始新一輪复制，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，这被称为恒定起始质量假说。这两个生长法则环环相扣，就像一块科研道路上的指路牌，统治了学术界半个世纪。

几年前，中国科学院深圳先进技术研究院、深圳合成生物学创新研究院研究员刘陈立带领科研团队发现，原有的两大法则并不准确，被奉为经典的“指路牌”可能会将相关领域的研究引向偏离的方向。

然而，要挑战权威，就需要用数据说话。刘陈立发现，过去也有一些研究团队曾对这两个法则的准确性提出过质疑，但都缺乏系统且全面的实验数据，没有说服力。他觉得要想修正主流细胞生长法则，就必须确保实验数据完整的覆盖度，以及高度的可重复性。于是，他带领团队开始对两大法则进行系统性的重复实验。科研团队改变以往选取1种或少数几种培养基的做法，选择了超过30种的培养基开展实验。他们采用早晚轮班制，对细胞的生长状态进行了实时监控，以确保每次取样都是在细胞稳定的状态下进行的。在低生长速率条件下，完成一次实验需要一周时间，为了确保数据可靠，实验还需要重复，有时甚至重复超过9次。

经过3年多的潜心研究，刘陈立科研团队最终发现，原有的两大法则并不准确。虽然生长速度越快，细胞越大，但两者之间的关系并不符合SMK生长法则的预期。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，刘陈立科研团队却在实验中观察到，细菌细胞没有遵循假说，在不同的培养条件下，起始质量有高有低。

那么，细菌的大小是由什么来决定的呢？

刘陈立根据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”。这个新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，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。比如，一旦得知细菌生长速率和DNA复制周期，科学家便可以根据公式，准确预测出细菌的大小。

至此，中国科学家用一个全新公式揭秘了细菌细胞大小的决定因素，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，它可以在生物世界实现理性设计、改造形式或者创造形式，以满足人类的不同需求。