院機關派駐機構分院院屬機構期刊電子雜誌深圳先進院在合成生物學領域發現細菌細胞周期控制規律附件

近日，中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學工程研究中心研究員劉陳立團隊在細菌細胞周期控制領域取得研究進展，相關論文Interrogating the E. coli cell cycle by cell dimension perturbations（《擾動細胞尺寸探尋大腸桿菌細胞周期》）發表在國際學術期刊《美國科學院院刊》（PNAS）上。

合成生物學是近年來發展迅速的新興交叉學科，它通過「自下而上」的理念，由「元件」到「模塊」再到「系統」來設計自然界不存在的人工生物系統，或對已有自然生物系統進行改造、重建，來滿足生物醫藥工程、工業化生產的需求或回答基礎生命科學研究的基本問題，其最終目的是創造生命。近些年，科學家們研究獲得了大量新的合成生物學元件，並組裝出具有相應功能的基因迴路；但要實現合成生命這一遠大目標，不光需要有足夠的「元件」，同時要求科研人員對生命活動的調控機理有著透徹的理解。設計製造一輛汽車，需要考慮車的外形和重量、發動機、動力與車的重量是否協調等多方面因素；同樣，設計創造一個新的細胞，也要考慮細胞形狀和大小、細胞的DNA序列及含量、DNA序列及含量是否與細胞形狀大小相協調等多方面因素。然而，生命科學在上述問題方面的理解深度還遠不足以讓科研人員像設計生產汽車一樣來設計創造符合需求的細胞。細菌是最簡單的單細胞生命，深入了解細菌生命活動的調控機理對實現創造生命這一目標有著積極的意義。

不同物種細胞的基因組序列各不相同，其細胞形態與大小也各異；即使基因組序列完全一致的細胞，其細胞形態與大小也並非一成不變。以大腸桿菌細胞為例，不同的培養條件下，其細胞大小的差異可以高達10倍；細胞越大，DNA就越多。那麼細菌是如何協調細胞個體大小和細胞內DNA複製這兩個事件的呢？這個問題已經困擾科學家們60多年。細胞內不同代謝反應相互交織形成了一個極其複雜的調控網路，生長速率對這一調控網路有著重要的影響，生長速率的改變通常改變細胞的生理狀態，使問題的分析變得複雜。如果能在維持細胞正常生理狀態的前提下對細胞的形態大小進行調整將能更好地回答上述問題。

劉陳立團隊將合成基因迴路引入細胞中，解耦天然調控網路，在正常生理條件下，通過改變目標基因的表達水平精確定量控制細胞的直徑或長度。在此基礎上，他們對細菌細胞是如何協調細胞大小與細胞內DNA複製這一問題進行了探索。研究結果提示：細胞通過控制DNA複製的起始來協調細胞個體的大小，二者之間的關係可以用一個簡單的數學公式來描述。這一公式具有廣泛的適用性，既可以描述不同生長速率條件下的細胞大小，也適用於描述細胞直徑或長度的擾動後細胞大小發生的改變。基於該定律，結合定量調控特定蛋白表達水平的基因迴路，人們可以根據實際需求輕鬆設計並建造出特定長寬的細菌細胞。

該研究展現了合成生物學研究手段在回答生命科學基礎問題中的應用。誠然，到目前為止，細菌細胞是如何協調細胞大小與細胞內DNA複製的分子機制還是一個謎，未來的研究將著重在這個方向上進行更深入的探索。通過該類合成生物學研究，科研人員將能夠逐步揭示細胞運作的基本原理，最終達到理性設計人造生命的目標。

該工作由醫藥所合成生物學工程研究中心博士生鄭海等在劉陳立的指導下完成。該項目獲得了國家自然科學基金、「973」項目、「863」項目、廣東省傑青及深圳市孔雀團隊等基金的資助。

論文鏈接

細胞周期控制基本規律不受細胞尺寸擾動的影響