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中科院深圳先进院最新研究发布:修正细菌繁殖两大法则,你的教科书或将被改写?

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  • 2020-05-20
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Francois Jacob 曾经说过:“The dream of every cell is to become two cells(每个细胞的梦想就是变成两个细胞)”。这梦想是各种生命形式得以在时间的长河里存在和延续的基础。

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细菌,是生物的主要类群之一,了解细菌细胞生长和细胞周期控制的基本规律、明确其细胞周期相关事件背后的分子调控机制,有着十分重要的科学意义,是微生物生理学亟待解决的基础问题。

5 月 18 日,《自然 - 微生物学》( Nature Microbiology )杂志发表了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刘陈立研究员实验室的研究成果——“链接大肠杆菌细胞生长和细胞周期的一般定量关系”(General quantitative relations linking cell growth and the cell cycle in Escherichia coli),研究突破该领域的两大法则——“SMK 生长法则”和“恒定起始质量假说”,揭示了细菌细胞生长和细胞周期控制的新规律。

 

(来源: Nature Microbiology )

研究团队基于稳定可靠的实验系统和实验方法,针对 “细菌细胞是怎么实现它自己的梦想,变成两个细胞的” 这一重要基础科学问题,开展了系统全面的研究,研究得出了全新的“个体生长分裂方程”,该结果为预测细胞生长周期关系提供了定量依据。

换句话说,写入教科书多年的 “SMK 生长法则” 和“恒定起始质量假说”有可能将会被颠覆。

“微生物无处不在”

“微生物无处不在,自然界中各个角落都是微生物。它们是植物重要的共生体,也是引发人类疾病的病原体。它们在地球化学循环过程起到了至关重要的作用。同时,微生物在采矿、制药、食品的各领域都有被使用。在科学研究上,遗传学、生物化学包括现在很火的基因编辑技术的原理知识都是来源于微生物研究。”论文的通讯作者刘陈立在接受 Deeptech 的专访时表示。

但直到 1674 年,列文虎克(Antonie van Leeuwenhoek) 发明了显微镜,人类才第一次肉眼观察到微生物。经过数百年的探索,自上世纪 50 年代起,得益于相关实验方法和观念的革新,人们开始从定量的角度来探索理解细菌细胞生长和细胞周期。

刘陈立认为,理解细菌生长繁殖的运行规律,一方面的能够帮助我们更好地利用微生物,更好去抵御疾病并将其应用在农业、食品和制药中。另外,探索细菌细胞生长繁殖的基本原理能够为科学研究提供定量理论的指导,指导下一步的研发。“假如把自然界比作‘上帝’,那么‘上帝’拥有制造生命体的法则,我们可以通过研究去解释、揭示它。”

颠覆两大法则,解释上帝之手 “自然界” 的造物规律

细胞周期稳定运行需要协调最基本的三个事件——细胞生长、DNA 复制、细胞分裂。1958 年,基于对不同培养基中沙门氏菌生长速率和细胞大小的定量研究,Schaechter 等提出“Schaechter-Maaløe-Kjeldgaard 生长法则(SMK 生长法则)”,首次将群体平均细胞大小与生长速率定量的联系起来,指出二者之间存在着近似指数的关系。

1968 年,Donachie 提出了“恒定起始质量假说”,并在数学上定量的解释了 SMK 生长法则。

在之后的半个多世纪里,人们在 “恒定起始质量” 假说模型所描述的范式框架下思考,试图通过实验验证上述假说模型、寻找其背后的分子机制,但始终未果。

“上述两个法则之所以能够相互验证有一个前提,它们要求从 DNA 复制起始到对应细胞分裂的间隔时间(也就是 C+D 周期)保持恒定;但是,在倍增时间超过一小时的情况下,这个前提条件并不成立。也就是说,在这种情况下,‘SMK 生长法则’和 ‘恒定起始质量假说’这两大法则应该无法成立。”刘陈立说道。“过去的研究,检测范围有限,主要针对高生长速率条件下的细菌细胞进行研究,在低生长速率条件下开展的研究相对较少。”

为了探索细菌细胞生长和细胞周期的协调机制,研究团队选取了大肠杆菌细胞作为模式生物开展他们的研究。为了覆盖更广的生长速率范围,研究团队选择了超过 30 种不同的培养基来开展本项研究;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项研究。

刘陈立认为,稳定的实验系统、准确可靠的定量方法是实验科学研究得以顺利开展的重要前提。研究人员发现,将过夜培养的大肠杆菌细胞接种到新鲜的培养基中,经过一段时间后,群体总生物量(OD600)即开始指数增长,但是在 OD600指数增长的这段时间内,群体平均细胞大小 ()、群体平均单细胞复制起点数()并不稳定,而是和具体的取样时间点相关(图 1 左,浅灰色区域)。

因此,研究团队对细菌细胞的培养方法进行了深入的探索,建立了相应的实验方法,确保研究中涉及到的细菌细胞周期相关参数都是稳态生长(steady state growth)条件下测得的数值。所谓稳态生长,指的是群体总生物量(如 OD600)和细胞数目以同样的生长速率(即:λm=λc)指数增长;在这种状态下,众多细菌细胞生理学相关参数,包括细胞周期相关参数,都保持稳定,与取样时间无关。

 

图 1 丨稳态生长状态的重要性及验证稳态生长状态(来源:上述论文)

在确保稳态生长状态的基础上,结合定量的实验方法,研究团队系统全面的测定了大肠杆菌细胞在不同培养基中的生长速率以及对应的细胞周期相关参数。基于得到的定量数据,研究团队首先对主导了细菌细胞周期相关研究长达半个多世纪的 “SMK 生长法则” 和“恒定起始质量假说”进行了验证。

结果表明:虽然群体平均的细胞大小和生长速率之间存在正相关的关系,但二者之间的定量关系并不能用在半对数坐标轴上的一条直线来进行描述(图 2 左);“起始质量”()存在明显的生长速率依赖性,无论是 “SMK 生长法则” 还是 “恒定起始质量假说” 都不能很好的解释实验结果,意味着主导了细菌细胞周期研究领域相关研究半个多世纪的两大基本 “法则” 本身并不准确。

 

图 2 丨 SMK 生长法则和恒定起始质量假说并不成立(来源:上述论文)

紧接着,基于对细菌细胞周期相关参数的定量分析,研究团队发现,群体平均单细胞复制起点数 () 和生长速率 (λ) 之间的定量关系可以在半对数坐标轴上的一条直线来进行描述(图 3 左上),该部分的研究成果将人们从把生长速率分为 “高生长速率” 和“低生长速率”两个区间、独立研究对应的细菌细胞周期调控机制的思考模式中解放出来;探寻不同生长速率条件下可能存在的统一的细菌细胞周期调控机制。

更为重要的是,本项研究揭示了一个全新的、适用于不同生长速率条件的“个体生长分裂方程”(图 3 左下),即:

细胞大小()正比于生长速率(λ)和 C+D 周期的乘积(为和生长速率无关的常数)

 

图 3 丨大肠杆菌协调细胞生长和细胞周期控制的定量法则(来源:上述论文)

“数学公式意味着定量关系,能用公式来描述的生物现象就是可预测的生物现象,而通常的生物实验多为定性而非定量,因此‘可预测性’十分重要,它可以为微生物的应用提供指导,例如工业微生物的生产发酵过程等。”刘陈立强调。

(来源:深圳先进院)

同时,在 “个体生长分裂方程” 的约束下,研究团队提出,细菌细胞分裂需要同时考虑细胞生物量的积累和染色体相关事件,并对可能的分子调控机制进行了预测。“DNA 的复制过程是线性增长过程,而在增值过程中,细胞质量的大小的变化是指数增长,我们推测上述两种不同的速率的生物学过程共同作用于‘分裂许可物’的形成和积累,当‘分裂许可物’积累达到阈值后,细胞分裂。”

基于上述模型,研究团队通过数字仿真实验成功重现了包括 “个体生长分裂方程”、“细胞分裂的增量现象”、“群体内细胞大小分布” 等在内的一系列群体或者单细胞水平实验观测到的实验现象。基于定量蛋白质组学分析,研究团队发现,包括 FtsZ、FtsK、ZipA 在内的关键蛋白浓度在不同生长速率条件下基本保持恒定,进一步佐证了上述猜想。

刘陈立表示,未来的工作重点一方面在于理解 “分裂许可物” 的形成动态过程及其与 DNA 复制事件的关联;另一方面,对于深圳先进院来说,基于合成生物学,研究的初衷是“替换”。“在了解原则之后,我们会用可人工替换的物质去制造分裂许可物,实现人工控制细菌细胞增殖的目的。”

之所以能够成功发现“个体生长分裂方程”,刘陈立认为有两方面尤为重要:第一,规律隐藏在真实的实验数据背后,实验过程需要尽量优化测量手段,保证测量结果的准确性;第二,有足够的时间去观察整理数据,寻找数据背后隐藏的蛛丝马迹。

总的来说,研究团队基于稳定可靠的实验系统和实验方法,针对 “细菌细胞是怎么实现它自己的梦想,变成两个细胞的” 这一重要基础科学问题,开展了系统全面的研究。而谈到未来的研究重点,刘陈立表示,下一步将会去研究 DNA 复制背后的原理和机制,探索是否存在定量公式,进一步验证分裂许可物假说。如果正确,后续会去做人工合成、可替代的分裂许可物。

“今年还有一个研究重点是细菌在肿瘤治疗方面的应用。随着我们对细菌生长繁殖的研究不断深入,成果给细菌治疗肿瘤带来了很多启示,我们现在所做的都是在实验室环境完成,下一步需要让细菌在实体瘤内部进行生长和繁殖,用定量公式指导设计,控制细菌在肿瘤内部的生长和繁殖。”

https://www.nature.com/articles/s41564-020-0717-x

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