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細菌大小是怎么決定的?

時間:2020-05-19 10:01來源:新浪科技綜合 作者:新浪科技綜合 點擊:
細菌,是自然界分布最廣、個體數量最多的單細胞生命體。從負責發酵酸奶的乳酸菌到生產胰島素的大腸桿菌,細菌充斥于人類生活和科學研究的方方面面。每種細菌

【直報網北京5月19日訊】(新浪科技綜合)細菌,是自然界分布最廣、個體數量最多的單細胞生命體。從負責發酵酸奶的乳酸菌到生產胰島素的大腸桿菌,細菌充斥于人類生活和科學研究的方方面面。每種細菌有著各式各樣的可遺傳繼承的大小,這些微小細胞的體積有時可以相差106-108倍,從0.3微米長的專性胞內病源菌支原體(Mycoplasma),到600微米長的刺尾鯛腸道內共生菌費氏刺骨魚菌(Epulopiscium fishelsoni),再到生長在納米比亞海邊肉眼可見的1毫米長的納米比亞嗜硫珠菌(Thiomargarita namibiensis)。當然,較大的細菌是極少數的,大多數已知細菌的直徑在0.4至2微米之間,長度在0.5至5微米之間。

細菌的大小不僅呈現多樣化,而且很穩定。即使在溫度高達100度以上的熱液口、鹽濃度高達5摩爾的鹽湖、離子放射性強度超過人類致死劑量1000倍等條件下,這些環境中的細菌細胞仍然保持特定的大小。長久以來,細菌的大小一直是細菌分類學中一個不可缺少的性狀,同時特定的大小使得細菌能更適應其生存環境。過去100年來,生物學家一直想知道是什么決定了細胞的大小。在近代,雖然我們知道了大部分控制細菌細胞周期和細胞分裂的分子,但我們仍然不知道細菌細胞的大小是如何確定的(圖1)。

5月18日,國際權威學術期刊《自然•微生物學》發表了中國科學院深圳先進技術研究院、深圳合成生物學創新研究院劉陳立實驗室的文章《鏈接大腸桿菌細胞生長和細胞周期的一般定量關系》,該文章以大腸桿菌為模式生物,揭秘了細菌大小的決定因素,推導出了全新的“個體生長分裂方程”,修正了該領域原有的兩大生長法則,并對合成生物學領域生命體理性設計提供了相關建構基礎原理。

追根溯源 修正原有法則

早在上世紀50年代,美國科學家Schaechter等發現細菌細胞長得越快,細胞就越大。更為重要的是,該研究突破性地用一個數學公式描述了細菌細胞生長速度和細胞大小之間的定量關系,即是說只要知道細胞生長快慢,就可以準確推斷出細胞大小,反之亦然。這一公式后被稱為“SMK生長法則”。

那么,細胞大小和生長速度為什么存在這樣的關系呢?1968年,Donachie在《自然》雜志上發表了他的觀點。他認為,細胞大小決定了細胞內DNA何時開始新一輪復制。當細胞進入復制階段時,細胞大小和復制起點數的比值是恒定不變的。這一比值被稱為“起始質量”,且“起始質量”與生長速率無關。開始新一輪DNA復制后,經過恒定的時間周期,細胞分裂。

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