当前位置:首页 > 资讯中心 > 行业资讯 > 正文
我国科学家揭示合成生物的建构原理!
www.yiqi800.com  2021-04-02 18:00  北京百欧博伟生物技术有限公司

我国科学家揭示合成生物的建构原理!


百欧博伟生物:中科院深圳先进院、深圳合成生物学创新研究院刘陈立研究团队以大肠杆菌为模式生物揭秘了细菌大小的决定因素相关成果发表于《自然—微生物学》。该研究推导出了全新的“个体生长分裂方程”修正了该领域原有的两大生长法则并对合成生物学领域生命体理性设计提供了相关建构基础原理。


每种细菌都有各式各样的可遗传继承的大小这些微小细胞的体积有时可以相差106-108倍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至2微米之间长度在0.5至5微米之间。细菌的大小不仅呈现多样化而且很稳定。即使在温度高达100度以上的热液口、盐浓度高达5摩尔的盐湖、离子放射性强度超过人类致死剂量1000倍等条件下这些环境中的细菌细胞仍然保持特定大小。


长久以来细菌的大小一直是细菌分类学中一个不可缺少的性状同时特定的大小使得细菌能更适应其生存环境。那么细菌的大小究竟是怎么决定的?


一测到底 展开三年漫长研究


早在上世纪50年代美国科学家Schaechter等发现细菌细胞长得越快细胞就越大。更为重要的是该研究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即是说只要知道细胞生长快慢就可以准确推断出细胞大小反之亦然。这一公式后被称为"SMK生长法则"。


那么细胞大小和生长速度为什么存在这样的关系呢?1968年Donachie在《自然》杂志上发表了他的观点。他认为细胞大小决定了细胞内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。这一比值被称为“起始质量”且“起始质量”与生长速率无关。开始新一轮DNA复制后经过恒定的时间周期细胞分裂。


由于细胞是指数生长起始质量及时间周期恒定因此分裂时细胞的大小与生长速率的指数次方成正比。这一观点很好的契合了SMK生长法则回答了“细菌大小是怎么决定的”这一基础科学问题被称为“恒定起始质量假说”。


这两个统治了学术界半个世纪的生长法则环环相扣就像科研道路上的“指路牌”在该领域树立权威六十年多年来许许多多的研究在两大法则的指引下开展;也有一些研究团队对这两个法则的准确性提出过质疑但由于缺乏系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。要想修正主流细胞生长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团队潜心研究3年多对两大法则进行了系统性重复实验。


“通常该类研究会选取1种或少数几种培养基而我们选择了超过30种培养基开展实验我们采用早晚轮班制对细胞的生长状态进行实时监控以确保每次取样都是在细胞稳定状态下进行的”该文章的di yi作者郑海博士介绍说“在低生长速率条件下完成一次实验所需时间长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次以上。”这是迄今为止有报道的类似研究工作中选用培养基种类最多、覆盖生长速率范围最广的一次。


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”。


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。


“合成生物学”为研究导向, www.yiqi800.com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。


欢迎访问中国微生物菌种查询网本站隶属于北京百欧博伟生物技术有限公司单位现提供微生物菌种及其细胞等相关产品查询、咨询、订购、售后服务!与国内外多家研制单位生物医药第三方检测机构科研院所有着良好稳定的长期合作关系!欢迎广大客户来询!


打印该页 】【 关闭窗口
相关资讯