近日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學(xué)工程研究中心研究員劉陳立團隊在細菌細胞周期控制領(lǐng)域取得研究進展，相關(guān)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(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《美國科學(xué)院院刊》（PNAS）上。

　　合成生物學(xué)是近年來發(fā)展迅速的新興交叉學(xué)科，它通過“自下而上”的理念，由“元件”到“模塊”再到“系統(tǒng)”來設(shè)計自然界不存在的人工生物系統(tǒng)，或?qū)σ延凶匀簧锵到y(tǒng)進行改造、重建，來滿足生物醫(yī)藥工程、工業(yè)化生產(chǎn)的需求或回答基礎(chǔ)生命科學(xué)研究的基本問題，其zui終目的是創(chuàng)造生命。近些年，科學(xué)家們研究獲得了大量新的合成生物學(xué)元件，并組裝出具有相應(yīng)功能的基因回路；但要實現(xiàn)合成生命這一遠大目標(biāo)，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(diào)控機理有著透徹的理解。設(shè)計一輛汽車，需要考慮車的外形和重量、發(fā)動機、動力與車的重量是否協(xié)調(diào)等多方面因素；同樣，設(shè)計創(chuàng)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(xié)調(diào)等多方面因素。然而，生命科學(xué)在上述問題方面的理解深度還遠不足以讓科研人員像設(shè)計生產(chǎn)汽車一樣來設(shè)計創(chuàng)造符合需求的細胞。細菌是zui簡單的單細胞生命，深入了解細菌生命活動的調(diào)控機理對實現(xiàn)創(chuàng)造生命這一目標(biāo)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(tài)與大小也各異；即使基因組序列*一致的細胞，其細胞形態(tài)與大小也并非一成不變。以大腸桿菌細胞為例，不同的培養(yǎng)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。那么細菌是如何協(xié)調(diào)細胞個體大小和細胞內(nèi)DNA復(fù)制這兩個事件的呢？這個問題已經(jīng)困擾科學(xué)家們60多年。細胞內(nèi)不同代謝反應(yīng)相互交織形成了一個極其復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，生長速率對這一調(diào)控網(wǎng)絡(luò)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(tài)，使問題的分析變得復(fù)雜。如果能在維持細胞正常生理狀態(tài)的前提下對細胞的形態(tài)大小進行調(diào)整將能更好地回答上述問題。

　　劉陳立團隊將合成基因回路引入細胞中，解耦天然調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，在正常生理條件下，通過改變目標(biāo)基因的表達水平定量控制細胞的直徑或長度。在此基礎(chǔ)上，他們對細菌細胞是如何協(xié)調(diào)細胞大小與細胞內(nèi)DNA復(fù)制這一問題進行了探索。研究結(jié)果提示：細胞通過控制DNA復(fù)制的起始來協(xié)調(diào)細胞個體的大小，二者之間的關(guān)系可以用一個簡單的數(shù)學(xué)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，也適用于描述細胞直徑或長度的擾動后細胞大小發(fā)生的改變?；谠摱桑Y(jié)合定量調(diào)控特定蛋白表達水平的基因回路，人們可以根據(jù)實際需求輕松設(shè)計并建造出特定長寬的細菌細胞。

　　該研究展現(xiàn)了合成生物學(xué)研究手段在回答生命科學(xué)基礎(chǔ)問題中的應(yīng)用。誠然，到目前為止，細菌細胞是如何協(xié)調(diào)細胞大小與細胞內(nèi)DNA復(fù)制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(xué)研究，科研人員將能夠逐步揭示細胞運作的基本原理，zui終達到理性設(shè)計人造生命的目標(biāo)。

　　該工作由醫(yī)藥所合成生物學(xué)工程研究中心博士生鄭海等在劉陳立的指導(dǎo)下完成。該項目獲得了國家自然科學(xué)基金、“973”項目、“863”項目、廣東省杰青及深圳市孔雀團隊等基金的資助。