科学家解析随机过程视角下的细菌细胞分裂调控

细菌是一种生长迅速的微生物，其细胞体积可在20分钟内翻倍，为实现快速生长，细菌是如何决定分裂时机的？

北京时间3月14日，中科院深圳先进院合成生物学研究所傅雄飞研究员、白阳副研究员联合华中农业大学罗亮博士在《物理评论研究》杂志发表研究文章指出，分子层面的随机涨落是影响细菌细胞分裂调控的重要因素。

细胞分裂时机对细胞生长和遗传稳定性的重要性不言而喻，长期以来科学家们一直在探索细胞分裂时机的决定机制，及其背后的分子基础。目前有三种可能的调控机制可以描述细菌的细胞分裂。首先是体积决定机制，它假设细胞监测自身体积，当其达到一个特定的分裂阈值时，就会执行细胞分裂。其次是增量决定机制，即细胞会记录自上一次分裂以来的体积增加值，并在增量达到特定的分裂阈值时执行分裂。最后是时间决定机制，即细胞记录自上一次分裂以来经过的时间，并在达到特定的分裂阈值时执行分裂。

科学家们近年来实现了对单个细菌细胞的长时间拍照观测，发现尽管细菌的体积有所不同，但平均而言，两次分裂之间的体积增加值却并不随它出生时的体积变化。这个发现似乎表明细菌细胞以体积增量为调控目标，决定分裂时机。该发现引发了新一波细菌细胞分裂调控机制的研究。以新的观测技术为工具的大批研究工作，极大加深了人们对细菌细胞周期的定量理解，然而，新的研究又对体积增量决定细胞分裂时机的机制提出了质疑。科学家们至今依然未能确定细菌细胞分裂时机的决定机制。

傅雄飞团队发现，人们可能误解了“细菌的体积增量不随它出生时的体积变化”这一实验观测背后的真正含义。因为细胞内无处不在的随机过程也会作用在细胞分裂阈值之上，使得三种不同的细胞分裂决定机制都能展现出“体积增量不随细菌出生体积改变”的实验现象。通过构建包含随机性的理论模型，该研究充分解析了随机过程对细胞分裂行为的影响。

研究发现，随着分裂阈值随机过程自身特性的不同（自关联系数），三种细胞分裂时机的决定机制，都可以展现出看似体积决定、增量决定或者时间决定的实验现象。因此，实验人员需要进一步测量分裂阈值本身的自关联系数，才能更准确地理解细菌细胞分裂的调控机制。

这一发现提高了人工细胞理性设计的灵活度。科研人员可以在细胞分裂决定机制难以改动的情况下，通过对分裂阈值随机过程特征的巧妙设计，控制细菌细胞的分裂行为。（刁雯蕙）