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，可能導致分裂后的細胞體積過小、細胞質不足甚至DNA尚未完成復制，導致生命活動停止。細菌是一種生長迅速的微生物，其細胞體積可在20分鐘內翻倍，為實現快速生長，細菌不像真核生物那樣設置檢查點明確區分細胞生長、染色體復制等過程。這種情況下，細菌如何決定分裂時機？雖然人類已經觀測到細菌已有數百年之久，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合華中農業大學羅亮博士在Physical Review Research雜志發表研究文章指出，分子層面的隨機漲落是影響細菌細胞分裂調控的重要因素。
文章上線截圖
目前，有三種可能的調控機制可以描述細菌的細胞分裂。首先是體積決定機制，它假設細胞監測自身體積，當其達到一個特定的分裂閾值時，就會執行細胞分裂。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過的時間，并在達到特定的分裂閾值時執行分裂。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是什么。
細胞分裂時機對于細胞生長和遺傳穩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，他們發現了一個有趣的現象：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。這個發現似乎表明細菌細胞以體積增量為調控目標，決定分裂時機。該發現引發了新一波細菌細胞分裂調控機制的研究，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出“體積增量不隨細菌出生體積改變”的實驗現象。通過構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。研究發現，隨著分裂閾值隨機過程自身特性的不同（自關聯系數），三種細胞分裂時機的決定機制，都可以展現出看似體積決定、增量決定或者時間決定的實驗現象。因此，實驗人員需要進一步測量分裂閾值本身的自關聯系數，才能更準確地理解細菌細胞分裂的調控機制。
這一發現大大提高了人工細胞理性設計的靈活度?？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計劃項目、中國科學院先導項目，國家自然科學基金面上項目及深圳合成生物學創新研究院的支持。
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出多樣化的實驗觀測結果
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