Physical Review Research | 隨機過程視角下的細菌細胞分裂調(diào)控
合成生物學的核心愿景之一是人工合成單細胞生命。要實現(xiàn)這一目標,科研人員需要精準控制細胞的分裂時機,以保證每一代細胞的大小保持一定范圍。若過長時間不進行分裂,細胞體積會越來越大, DNA復(fù)制和分離等過程的錯誤率增加,細胞代謝也會受到影響。反之,如果細胞過早分裂,可能導(dǎo)致分裂后的細胞體積過小、細胞質(zhì)不足甚至DNA尚未完成復(fù)制,導(dǎo)致生命活動停止。細菌是一種生長迅速的微生物,其細胞體積可在20分鐘內(nèi)翻倍,為實現(xiàn)快速生長,細菌不像真核生物那樣設(shè)置檢查點明確區(qū)分細胞生長、染色體復(fù)制等過程。這種情況下,細菌如何決定分裂時機?雖然人類已經(jīng)觀測到細菌已有數(shù)百年之久,但至今仍未完全理解其中奧秘。
近日,中國科學院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學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,分子層面的隨機漲落是影響細菌細胞分裂調(diào)控的重要因素。
文章上線截圖
目前,有三種可能的調(diào)控機制可以描述細菌的細胞分裂。首先是體積決定機制,它假設(shè)細胞監(jiān)測自身體積,當其達到一個特定的分裂閾值時,就會執(zhí)行細胞分裂。其次是增量決定機制,即細胞會記錄自上一次分裂以來的體積增加值,并在增量達到特定的分裂閾值時執(zhí)行分裂。最后是時間決定機制,即細胞記錄自上一次分裂以來經(jīng)過的時間,并在達到特定的分裂閾值時執(zhí)行分裂。然而科學家們未能明確細菌的細胞分裂究竟使用的是哪種決定機制,以及這背后的分子基礎(chǔ)是什么。
細胞分裂時機對于細胞生長和遺傳穩(wěn)定性的重要性不言而喻,長期以來科學家們一直在探索細胞分裂時機的決定機制??茖W家們近年來實現(xiàn)了對單個細菌細胞的長時間拍照觀測,記錄了多代細胞出生-生長-分裂的過程。通過這些觀測,他們發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象:盡管細菌的體積有所不同,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的體積變化。這個發(fā)現(xiàn)似乎表明細菌細胞以體積增量為調(diào)控目標,決定分裂時機。該發(fā)現(xiàn)引發(fā)了新一波細菌細胞分裂調(diào)控機制的研究,極大加深了我們對細菌細胞周期的理解。然而,新的研究又對體積增量決定細胞分裂時機的機制提出了質(zhì)疑??茖W家們至今依然未能確定細菌細胞分裂時機的決定機制。
傅雄飛課題組在新發(fā)表的文章中指出,人們可能誤解了“細菌的體積增量不隨它出生時的體積變化”這一實驗觀測背后的真正含義。這是因為,細胞內(nèi)無處不在的隨機過程也會作用在細胞分裂閾值之上,使得三種不同的細胞分裂決定機制都能展現(xiàn)出“體積增量不隨細菌出生體積改變”的實驗現(xiàn)象。通過構(gòu)建包含隨機性的理論模型,該研究充分解析了隨機過程對細胞分裂行為的影響。研究發(fā)現(xiàn),隨著分裂閾值隨機過程自身特性的不同(自關(guān)聯(lián)系數(shù)),三種細胞分裂時機的決定機制,都可以展現(xiàn)出看似體積決定、增量決定或者時間決定的實驗現(xiàn)象。因此,實驗人員需要進一步測量分裂閾值本身的自關(guān)聯(lián)系數(shù),才能更準確地理解細菌細胞分裂的調(diào)控機制。
這一發(fā)現(xiàn)大大提高了人工細胞理性設(shè)計的靈活度??蒲腥藛T可以在細胞分裂決定機制難以改動的情況下,通過對分裂閾值隨機過程特征的巧妙設(shè)計,控制細菌細胞的分裂行為。該工作獲得了國家科技部重點研發(fā)計劃項目、中國科學院先導(dǎo)項目,國家自然科學基金面上項目及深圳合成生物學創(chuàng)新研究院的支持。

圖:細菌細胞分裂的三種決定機制
圖:細菌分裂閾值的隨機過程會影響細胞分裂行為特征,使得同樣的分裂決定機制展現(xiàn)出多樣化的實驗觀測結(jié)果
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