深圳团队用全新方程揭秘细菌如何长大，相关研究发表于《自然》子刊

从负责发酵酸奶的乳酸菌，到生产胰岛素的大肠杆菌，细菌充斥着我们生活的方方面面。每种细菌的大小各有不同，其背后的生长分裂也暗示着生命的奥秘。细菌大小到底是怎么决定的？

5月18日，深圳先进院刘陈立实验室在国际权威期刊《自然·微生物学》发表文章，以大肠杆菌为例，用一个全新方程解释了细菌细胞生长法则。文章通讯作者刘陈立研究员在接受深圳商报记者采访时表示，“此前这一领域已有两大经典法则，我们的研究是对传统的修正。”

复杂生物学背后的简单规律

早在1958年，美国科学家Schaechter等就突破性地用一个数学公式描述了细胞生长：当细菌细胞的生长速度增加一倍，细胞的大小增加两倍；生长速度增加两倍，细胞大小增大四倍。这一理论揭示了复杂生物学背后的简单规律，自此，生命运行状态变得可被预测，这一公式后被称为“SMK生长法则”。

此后的1968年，美国科学家Donachie在《自然》杂志发表文章，认为细胞大小决定了细胞内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。这一比值被称为“起始质量”，且“起始质量”与生长速率无关。开始新一轮DNA复制后，经过恒定的时间周期，细胞分裂。

由于细胞是指数生长，起始质量及时间周期恒定，因此分裂时细胞的大小正比于生长速率的指数次方。这一观点很好的契合了SMK生长法则，回答了“细菌大小是怎么决定的”这一科学问题，被称为“恒定起始质量假说”。

用数据挑战权威

这两大法则就像定量生物学道路上的指路牌，六十多年来指引了无数相关研究的开展。也有一些研究团队对两大法则的准确定提出过质疑，但由于缺乏系统全面的实验数据，这种质疑并未得到验证。

对此，刘陈立团队经过三年多的反复实验，修正了原有法则，这是迄今为止有报道的类似研究中，选用培养基种类最多、覆盖生长速率范围最广的一次。

“通常的研究会选取1种或少数几种培养基，而我们选择了超过30种培养基开展实验，我们采用早晚轮班制，对细胞的生长状态进行实时监控，以确保每次取样都是在细胞稳定状态下进行的，”论文第一作者郑海博士介绍，“在低生长速率条件下，完成一次实验所需时间长达一周，而为确保数据可靠，实验还需要重复，重复次数多的超过9次以上。”

成果可用于工业生产

经过反复试验，刘陈立团队发现原有的两大法则并不准确，“虽然生长速度越快，细胞越大，但二者之间的关系并不符合SMK生长法则的预期”刘陈立说，“按照法则描述，无论细胞生长快慢，一旦达到‘起始质量’，就应该开始新一轮的DNA复制，然而，我们却在实验中观察到，细菌细胞没有遵循假说，不同培养条件下，‘起始质量’有高有低。”

对此，团队发现了全新方程，即细胞大小（）正比于生长速率（）和时间周期（C+D）的乘积，被称为个体生长分裂方程。

刘陈立表示，这一方程使得细菌个体大小、生长速率等自然现象，具有了一定的可预测性，比如将细胞大小和时间周期代入，就能得到其生长速率。

“这一定量公式可用于理性自动调控生产，例如工业发酵等，”刘陈立表示，“长远来看，还有望提升合成生物学理性设计的能力，推动合成生物学发展。”

（深圳商报供稿）

编辑 陈伊翘