前不久,，一則中國科學家挑戰(zhàn)兩大法則提出全新公式的消息,，在微生物圈泛起波瀾,，引發(fā)關注。

這是中國科學院深圳先進技術研究院,、深圳合成生物學創(chuàng)新研究院研究員劉陳立帶領科研團隊,，歷時多年以大腸桿菌為模式生物,，揭秘細菌大小的決定因素,，推導出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,。

今年5月,，這一成果的學術論文已由國際學術期刊《自然·微生物學》發(fā)表，其中提到,，該成果給合成生物學領域生命體理性設計提供了建構基礎原理,。那么，這一成果究竟有多大意義,，科研團隊在挑戰(zhàn)傳統(tǒng)法則的過程中又經歷了什么,，記者采訪了劉陳立團隊,。

傳統(tǒng)法則

細菌，是自然界分布最廣,、個體數(shù)量最多的單細胞生命體,。從發(fā)酵酸奶的乳酸菌，到生產胰島素的大腸桿菌,，可以說,，細菌充斥于人類生活和科學研究的方方面面。

當然,，如同人類肉眼可見的其他生物一樣,，細菌也是有大有小的。

劉陳立告訴記者,，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百萬千萬倍：從0.3微米長的專性胞內病源菌支原體，到600微米長的刺尾鯛腸道內共生菌費氏刺骨魚菌,，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,。

當然，較大的細菌是極少數(shù)的,，大多數(shù)已知細菌的直徑在0.4-2微米之間,，長度在0.5-5微米之間。劉陳立說,，長期以來,，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更能適應其生存環(huán)境,。

過去100年來，生物學家一直想知道,，究竟是什么決定了細胞的大小,。在近代，雖然科學家知道了大部分控制細菌細胞周期和細胞分裂的分子,，但人們仍然不知道細菌細胞的大小是如何確定的。

上世紀50年代,，美國科學家發(fā)現(xiàn)“細菌細胞長得越快,，細胞就越大”。更為重要的是,，這一研究突破性地用一個數(shù)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。

簡單來說,，只要知道細胞生長的快慢,，就可以準確推斷出細胞的大小,，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之間，為什么會存在這樣的關系,？

1968年,，另一位科學家在《自然》雜志上發(fā)表了他的觀點。這位科學家認為,，細胞的大小,，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(shù)的比值是恒定不變的,。

后來，這一比值被學界稱為“起始質量”,。劉陳立說,，由于細胞是指數(shù)生長，“起始質量”及時間周期恒定,，因此分裂時細胞的大小,，和生長速率的指數(shù)次方成正比。

這一觀點很好地契合了“SMK生長法則”,，回答了“細菌大小是怎么決定的”這一基礎科學問題,，被稱為“恒定起始質量假說”。

此后,，這兩個統(tǒng)治了學術界半個世紀的生長法則環(huán)環(huán)相扣,，就像科研道路上的“指路牌”一樣，在這一領域樹立權威60多年,，多年來許許多多的研究,，在兩大法則的指引下開展。

一測三年

當然,，在過去半個多世紀里,，有一些研究團隊曾對這兩個法則的準確性提出質疑，但由于缺乏系統(tǒng)全面的實驗數(shù)據(jù),，相關結論并未引起領域內大部分研究人員的重視,。

“要想修正主流細胞生長法則，必須要確保實驗數(shù)據(jù)完整的覆蓋度,，以及高度的可重復性,。”劉陳立說,。

他帶領團隊潛心3年多研究,，對兩大法則進行了系統(tǒng)性重復實驗,。

據(jù)此次成果論文的第一作者、中國科學院深圳先進技術研究院鄭海博士介紹,，通常情況下,，此類研究會選取1種或少數(shù)幾種培養(yǎng)基，而他們選擇了超過30種的培養(yǎng)基開展實驗,。

“我們采用早晚輪班制,，對細胞的生長狀態(tài)進行實時監(jiān)控，以確保每次取樣都是在細胞穩(wěn)定狀態(tài)下進行,?！编嵑８嬖V記者，在低生長速率條件下,，完成一次實驗所需時間長達一周,，而為確保數(shù)據(jù)可靠，實驗還需要重復,，重復次數(shù)多的超過9次,。

也因此，這次實驗成了迄今為止類似研究工作中,，選用培養(yǎng)基種類最多,、覆蓋生長速率范圍最廣的一次。

鄭海說,，帶著極大的耐心和嚴謹?shù)膽B(tài)度,，科研團隊最終發(fā)現(xiàn)，原有的兩大法則并不準確,，被奉為經典的“指路牌”,，可能將相關領域的研究引向了“偏離的方向”。

“雖然生長速度越快,，細胞越大,，但二者之間的關系，并不符合SMK生長法則的預期,?！眲㈥惲⒄f。

按照法則描述,，無論細胞生長快慢,，一旦達到“起始質量”，就應該開始新一輪的DNA復制,，然而，劉陳立團隊卻在實驗中觀察到,，細菌細胞沒有遵循假說,，不同培養(yǎng)條件下,，“起始質量”有高有低。

“如果兩大法則并不準確,，那么細菌的大小又是由什么來決定的呢,？”

“我們能否修正‘指路牌’呢？”

帶著這些疑問,，劉陳立團隊一測就是3年,。

新方程出爐

“要和數(shù)據(jù)待在一起，揣摩它,?！边@是劉陳立向團隊成員提的要求。

這句話,，也可以用來描述大量科研實驗數(shù)據(jù)背后的量化關系,，科研團隊在實驗數(shù)據(jù)分析的過程中，最終推演出一個全新且適用于不同生長速率條件的“個體生長分裂方程”,。

劉陳立說,，這個新方程，統(tǒng)一了不同生長速率條件下的細菌細胞周期調控機制,，這一定量公式的提出,，也使得細菌個體大小、生長速率等自然現(xiàn)象,，具有了一定的可預測性,。

比如說，一旦得知細菌生長速率和DNA復制周期,，科學家便可根據(jù)公式,，準確預測出細菌的大小。

“分裂方程為研究人員提供新的研究范式和思維方法,，解答了細菌細胞大小和DNA復制周期以及生長速度之間的關系,，并具有廣泛的應用價值?！眲㈥惲⒄f,。

至此，科研團隊的探索并未停止,。

這個新方程,，對理解細菌細胞周期的控制機制又有什么意義？在“個體生長方程”的約束下,，科研團隊對細菌細胞分裂的控制機制進行了探討,，并提出一個全新的分子機制假說——存在一種“分裂許可物”，它與“細胞生長”和“染色體復制分離”相關,。當它積累達到一定閾值時,，細胞就會分裂,。

在此基礎上，劉陳立團隊建立了相應的數(shù)學模型,，進一步的實驗,，確實驗證了理論預測。

對于人類社會,，很難說,，一個新方程的出爐，究竟意味著什么,。

在物理世界,，“伯努利方程”指導了飛機的設計，“阿基米德浮力定律”推動了潛艇的面世,，“牛頓第二定律”則是人類得以翱翔太空的理論基石,。

那么，合成生物學領域的方程呢,？

劉陳立告訴記者,，合成生物學的終極目標，就是在生物世界實現(xiàn)理性設計,、改造形式或者創(chuàng)造形式,，以滿足人類不同的需求。

如今這個研究成果,，再次證實了定量的思維方法在生命科學研究中的重要性,。劉陳立說：“我們找到的每一個運行規(guī)律，都是試圖找到可用于指導設計,、改造,、重建生命形式的‘圖紙’?！?/span>

在他看來,，此次對細菌個體細胞相關定量規(guī)律和法則的基礎科學問題研究，對人類揭示并理解生命體內在原理提供了重要的參考依據(jù),，這次研究也有助于未來合成生物學領域的理性設計和建構,，以滿足抗生素替代等更多“讓人腦洞大開”的應用需要。