合成生物學(xué)的核心愿景之一是人工合成單細(xì)胞生命。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，科研人員需要精準(zhǔn)控制細(xì)胞的分裂時(shí)機(jī)，以保證每一代細(xì)胞的大小保持一定范圍。若過長時(shí)間不進(jìn)行分裂，細(xì)胞體積會越來越大， DNA復(fù)制和分離等過程的錯(cuò)誤率增加，細(xì)胞代謝也會受到影響。反之，如果細(xì)胞過早分裂，可能導(dǎo)致分裂后的細(xì)胞體積過小、細(xì)胞質(zhì)不足甚至DNA尚未完成復(fù)制，導(dǎo)致生命活動停止。細(xì)菌是一種生長迅速的微生物，其細(xì)胞體積可在20分鐘內(nèi)翻倍，為實(shí)現(xiàn)快速生長，細(xì)菌不像真核生物那樣設(shè)置檢查點(diǎn)明確區(qū)分細(xì)胞生長、染色體復(fù)制等過程。這種情況下，細(xì)菌如何決定分裂時(shí)機(jī)？雖然人類已經(jīng)觀測到細(xì)菌已有數(shù)百年之久，但至今仍未完全理解其中奧秘。
近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所傅雄飛研究員及白陽副研究員聯(lián)合華中農(nóng)業(yè)大學(xué)羅亮博士在Physical Review Research雜志發(fā)表研究文章指出，分子層面的隨機(jī)漲落是影響細(xì)菌細(xì)胞分裂調(diào)控的重要因素。
文章上線截圖
目前，有三種可能的調(diào)控機(jī)制可以描述細(xì)菌的細(xì)胞分裂。首先是體積決定機(jī)制，它假設(shè)細(xì)胞監(jiān)測自身體積，當(dāng)其達(dá)到一個(gè)特定的分裂閾值時(shí)，就會執(zhí)行細(xì)胞分裂。其次是增量決定機(jī)制，即細(xì)胞會記錄自上一次分裂以來的體積增加值，并在增量達(dá)到特定的分裂閾值時(shí)執(zhí)行分裂。最后是時(shí)間決定機(jī)制，即細(xì)胞記錄自上一次分裂以來經(jīng)過的時(shí)間，并在達(dá)到特定的分裂閾值時(shí)執(zhí)行分裂。然而科學(xué)家們未能明確細(xì)菌的細(xì)胞分裂究竟使用的是哪種決定機(jī)制，以及這背后的分子基礎(chǔ)是什么。
細(xì)胞分裂時(shí)機(jī)對于細(xì)胞生長和遺傳穩(wěn)定性的重要性不言而喻，長期以來科學(xué)家們一直在探索細(xì)胞分裂時(shí)機(jī)的決定機(jī)制。科學(xué)家們近年來實(shí)現(xiàn)了對單個(gè)細(xì)菌細(xì)胞的長時(shí)間拍照觀測，記錄了多代細(xì)胞出生-生長-分裂的過程。通過這些觀測，他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象：盡管細(xì)菌的體積有所不同，但是，平均而言，兩次分裂之間的體積增加值卻并不隨它出生時(shí)的體積變化。這個(gè)發(fā)現(xiàn)似乎表明細(xì)菌細(xì)胞以體積增量為調(diào)控目標(biāo)，決定分裂時(shí)機(jī)。該發(fā)現(xiàn)引發(fā)了新一波細(xì)菌細(xì)胞分裂調(diào)控機(jī)制的研究，極大加深了我們對細(xì)菌細(xì)胞周期的理解。然而，新的研究又對體積增量決定細(xì)胞分裂時(shí)機(jī)的機(jī)制提出了質(zhì)疑。科學(xué)家們至今依然未能確定細(xì)菌細(xì)胞分裂時(shí)機(jī)的決定機(jī)制。
傅雄飛課題組在新發(fā)表的文章中指出，人們可能誤解了“細(xì)菌的體積增量不隨它出生時(shí)的體積變化”這一實(shí)驗(yàn)觀測背后的真正含義。這是因?yàn)椋?xì)胞內(nèi)無處不在的隨機(jī)過程也會作用在細(xì)胞分裂閾值之上，使得三種不同的細(xì)胞分裂決定機(jī)制都能展現(xiàn)出“體積增量不隨細(xì)菌出生體積改變”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。通過構(gòu)建包含隨機(jī)性的理論模型，該研究充分解析了隨機(jī)過程對細(xì)胞分裂行為的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著分裂閾值隨機(jī)過程自身特性的不同（自關(guān)聯(lián)系數(shù)），三種細(xì)胞分裂時(shí)機(jī)的決定機(jī)制，都可以展現(xiàn)出看似體積決定、增量決定或者時(shí)間決定的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。因此，實(shí)驗(yàn)人員需要進(jìn)一步測量分裂閾值本身的自關(guān)聯(lián)系數(shù)，才能更準(zhǔn)確地理解細(xì)菌細(xì)胞分裂的調(diào)控機(jī)制。
這一發(fā)現(xiàn)大大提高了人工細(xì)胞理性設(shè)計(jì)的靈活度。科研人員可以在細(xì)胞分裂決定機(jī)制難以改動的情況下，通過對分裂閾值隨機(jī)過程特征的巧妙設(shè)計(jì)，控制細(xì)菌細(xì)胞的分裂行為。該工作獲得了國家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、中國科學(xué)院先導(dǎo)項(xiàng)目，國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目及深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院的支持。
圖：細(xì)菌細(xì)胞分裂的三種決定機(jī)制
圖：細(xì)菌分裂閾值的隨機(jī)過程會影響細(xì)胞分裂行為特征，使得同樣的分裂決定機(jī)制展現(xiàn)出多樣化的實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果
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