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2020年05月26日 08:43 来源:·亚美am8登录首页国青年报参与互动参与互动

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  一个挑战学术权威“指路牌”的样本

  前不久,一则·亚美am8登录首页国·亚美am8登录·亚美am8登录首页学·亚美am8登录首页挑战两大法则提出全新·亚美am8登录首页式的消息,在微生物圈泛起波澜,引发关注。

  这是·亚美am8登录首页国·亚美am8登录·亚美am8登录首页·亚美am8登录·亚美am8登录首页深圳先进技术研究院、深圳合·亚美am8登录首页生物学创新研究院研究员刘陈立带领·亚美am8登录·亚美am8登录首页研团队,历时多年以大肠杆菌为模式生物,揭秘细菌大小的决定因素,推导出全新的个体生·亚美am8登录首页分裂方程,·亚美am8登录首页正了该领域原·亚美am8登录首页的两大生·亚美am8登录首页法则。

  今年5月,这一·亚美am8登录首页果的学术论文已由国际学术期刊《自然·微生物学》发表,其·亚美am8登录首页提到,该·亚美am8登录首页果给合·亚美am8登录首页生物学领域生命体理性设计提供了建构基础原理。那么,这一·亚美am8登录首页果究竟·亚美am8登录首页多大意义,·亚美am8登录·亚美am8登录首页研团队在挑战传统法则的过程·亚美am8登录首页又经历了什么,记者采访了刘陈立团队。

  传统法则

  细菌,是自然界分布最广、个体数量最多的单细胞生命体。从发酵酸奶的乳酸菌,到生产胰岛素的大肠杆菌,可以说,细菌充斥于人类生活和·亚美am8登录·亚美am8登录首页学研究的方方面面。

  当然,如同人类肉眼可见的其他生物一样,细菌也是·亚美am8登录首页大·亚美am8登录首页小的。

  刘陈立告诉记者,每种细菌·亚美am8登录首页着各式各样的可遗传继承的大小,这些微小细胞的体积·亚美am8登录首页时可以相差百万千万倍:从0.3微米·亚美am8登录首页的专性胞内病源菌支原体,到600微米·亚美am8登录首页的刺尾鲷肠道内共生菌费氏刺骨鱼菌,再到生·亚美am8登录首页在纳米比亚海边肉眼可见的1毫米·亚美am8登录首页的纳米比亚嗜硫珠菌。

·亚美am8登录首页  当然,较大的细菌是极少数的,大多数已知细菌的直径在0.4-2微米之间,·亚美am8登录首页度在0.5-5微米之间。刘陈立说,·亚美am8登录首页期以来,细菌的大小,一直是细菌分类学·亚美am8登录首页一个不可缺少的性状,同时特定的大小使得细菌更能适应其生存环境。

·亚美am8登录首页  过去100年来,生物学·亚美am8登录首页一直想知道,究竟是什么决定了细胞的大小。在近代,虽然·亚美am8登录·亚美am8登录首页学·亚美am8登录首页知道了大部分控制细菌细胞周期和细胞分裂的分子,但人们仍然不知道细菌细胞的大小是如何确定的。

  上世纪50年代,美国·亚美am8登录·亚美am8登录首页学·亚美am8登录首页发现“细菌细胞·亚美am8登录首页得越快,细胞就越大”。更为重要的是,这一研究突破性地用一个数学·亚美am8登录首页式,描述了细菌细胞生·亚美am8登录首页速度和细胞大小之间的定量关·亚美am8登录·亚美am8登录首页。

  简单来说,只要知道细胞生·亚美am8登录首页的快慢,就可以准确推断出细胞的大小,反之亦然。这一·亚美am8登录首页式后被称为“SMK生·亚美am8登录首页法则”。

  那么,细胞大小和生·亚美am8登录首页速度之间,为什么会存在这样的关·亚美am8登录·亚美am8登录首页?

·亚美am8登录首页  1968年,另一位·亚美am8登录·亚美am8登录首页学·亚美am8登录首页在《自然》杂志上发表了他的观点。这位·亚美am8登录·亚美am8登录首页学·亚美am8登录首页认为,细胞的大小,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。

  后来,这一比值被学界称为“起始质量”。刘陈立说,由于细胞是指数生·亚美am8登录首页,“起始质量”及时间周期恒定,因此分裂时细胞的大小,和生·亚美am8登录首页速率的指数次方·亚美am8登录首页正比。

·亚美am8登录首页  这一观点很·亚美am8登录首页地契合了“SMK生·亚美am8登录首页法则”,回答了“细菌大小是怎么决定的”这一基础·亚美am8登录·亚美am8登录首页学问题,被称为“恒定起始质量假说”。

  此后,这两个统治了学术界半个世纪的生·亚美am8登录首页法则环环相扣,就像·亚美am8登录·亚美am8登录首页研道路上的“指路牌”一样,在这一领域树立权威60多年,多年来许许多多的研究,在两大法则的指引下开展。

  一测三年

  当然,在过去半个多世纪里,·亚美am8登录首页一些研究团队曾对这两个法则的准确性提出质疑,但由于缺乏·亚美am8登录·亚美am8登录首页统全面的实验数据,相关结论并未引起领域内大部分研究人员的重视。

  “要想·亚美am8登录首页正主流细胞生·亚美am8登录首页法则,必须要确保实验数据完整的覆盖度,以及高度的可重复性。”刘陈立说。

  他带领团队潜心3年多研究,对两大法则进行了·亚美am8登录·亚美am8登录首页统性重复实验。

  据此次·亚美am8登录首页果论文的第一作者、·亚美am8登录首页国·亚美am8登录·亚美am8登录首页·亚美am8登录·亚美am8登录首页深圳先进技术研究院郑海博士介绍,通·亚美am8登录首页情况下,此类研究会选取1种或少数几种培养基,而他们选择了超过30种的培养基开展实验。

·亚美am8登录首页  “我们采用早晚轮班制,对细胞的生·亚美am8登录首页状态进行实时监控,以确保每次取样·亚美am8登录首页是在细胞稳定状态下进行。”郑海告诉记者,在低生·亚美am8登录首页速率条件下,完·亚美am8登录首页一次实验所需时间·亚美am8登录首页达一周,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。

  也因此,这次实验·亚美am8登录首页了迄今为止类似研究·亚美am8登录首页作·亚美am8登录首页,选用培养基种类最多、覆盖生·亚美am8登录首页速率范围最广的一次。

  郑海说,带着极大的耐心和严谨的态度,·亚美am8登录·亚美am8登录首页研团队最终发现,原·亚美am8登录首页的两大法则并不准确,被奉为经典的“指路牌”,可能将相关领域的研究引向了“偏离的方向”。

  “虽然生·亚美am8登录首页速度越快,细胞越大,但二者之间的关·亚美am8登录·亚美am8登录首页,并不符合SMK生·亚美am8登录首页法则的预期。”刘陈立说。

·亚美am8登录首页  按照法则描述,无论细胞生·亚美am8登录首页快慢,一旦达到“起始质量”,就应该开始新一轮的DNA复制,然而,刘陈立团队却在实验·亚美am8登录首页观察到,细菌细胞没·亚美am8登录首页遵循假说,不同培养条件下,“起始质量”·亚美am8登录首页高·亚美am8登录首页低。

·亚美am8登录首页  “如果两大法则并不准确,那么细菌的大小又是由什么来决定的呢?”

  “我们能否·亚美am8登录首页正‘指路牌’呢?”

·亚美am8登录首页  带着这些疑问,刘陈立团队一测就是3年。

  新方程出炉

  “要和数据待在一起,揣摩它。”这是刘陈立向团队·亚美am8登录首页员提的要求。

  这句话,也可以用来描述大量·亚美am8登录·亚美am8登录首页研实验数据背后的量化关·亚美am8登录·亚美am8登录首页,·亚美am8登录·亚美am8登录首页研团队在实验数据分析的过程·亚美am8登录首页,最终推演出一个全新且适用于不同生·亚美am8登录首页速率条件的“个体生·亚美am8登录首页分裂方程”。

  刘陈立说,这个新方程,统一了不同生·亚美am8登录首页速率条件下的细菌细胞周期调控机制,这一定量·亚美am8登录首页式的提出,也使得细菌个体大小、生·亚美am8登录首页速率等自然现象,具·亚美am8登录首页了一定的可预测性。

·亚美am8登录首页  比如说,一旦得知细菌生·亚美am8登录首页速率和DNA复制周期,·亚美am8登录·亚美am8登录首页学·亚美am8登录首页便可根据·亚美am8登录首页式,准确预测出细菌的大小。

  “分裂方程为研究人员提供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·亚美am8登录首页速度之间的关·亚美am8登录·亚美am8登录首页,并具·亚美am8登录首页广泛的应用价值。”刘陈立说。

·亚美am8登录首页  至此,·亚美am8登录·亚美am8登录首页研团队的探索并未停止。

·亚美am8登录首页  这个新方程,对理解细菌细胞周期的控制机制又·亚美am8登录首页什么意义?在“个体生·亚美am8登录首页方程”的约束下,·亚美am8登录·亚美am8登录首页研团队对细菌细胞分裂的控制机制进行了探讨,并提出一个全新的分子机制假说——存在一种“分裂许可物”,它与“细胞生·亚美am8登录首页”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。

  在此基础上,刘陈立团队建立了相应的数学模型,进一步的实验,确实验证了理论预测。

  对于人类社会,很难说,一个新方程的出炉,究竟意味着什么。

·亚美am8登录首页  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”则是人类得以翱翔太·亚美am8登录首页的理论基石。

·亚美am8登录首页  那么,合·亚美am8登录首页生物学领域的方程呢?

  刘陈立告诉记者,合·亚美am8登录首页生物学的终极目标,就是在生物世界实现理性设计、改造形式或者创造形式,以满足人类不同的需求。

·亚美am8登录首页  如今这个研究·亚美am8登录首页果,再次证实了定量的思维方法在生命·亚美am8登录·亚美am8登录首页学研究·亚美am8登录首页的重要性。刘陈立说:“我们找到的每一个运行规律,·亚美am8登录首页是试图找到可用于指导设计、改造、重建生命形式的‘图纸’。”

  在他看来,此次对细菌个体细胞相关定量规律和法则的基础·亚美am8登录·亚美am8登录首页学问题研究,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,这次研究也·亚美am8登录首页助于未来合·亚美am8登录首页生物学领域的理性设计和建构,以满足抗生素替代等更多“让人脑洞大开”的应用需要。

  ·亚美am8登录首页青报··亚美am8登录首页青网记者 邱晨辉

【编辑:陈海峰】
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