低生长速率条件下细菌细胞大小改变对其细胞周期的影响

Bacteria cell cycle should be tightly regulated in order to maintain the normal growth and division of the cell. But, by which mechanisms the cells can tightly control their cell cycle are still unknown. We have found that, under fast growth conditions, the average cell volume scales exponentially with growth rate, with a scaling exponent equal to the time from initiation of a round of DNA replication to the cell division at which the corresponding sister chromosomes segregate, which validates the Schaechter-Maaløe-Kjeldgaard Growth Law. However, under slow growth conditions, how the cell cycle operates are still unknown. In this study, we are going to characterize the cell cycle of Escherichia coli under slow growth conditions by using microscope observation, quantitative PCR, flow cytometeric and single cell tracking technologies. Knowledge gained here will deepen our understanding of the bacterial cell cycle and provide important clues for studying molecular mechanisms of the bacterial cell cycle.

细菌细胞周期的准确调控对维持其生存，保持正常的生长分裂状态至关重要。但是，细菌是如何做到细胞周期的精确调控，至今不明。申请人的前期研究发现，在高生长速率条件下，细胞大小与细胞生长速率和DNA复制起始到对应细胞分裂的时间间隔两者的乘积呈指数关系，验证了前人提出的“S-M-K生长法则”。然而，在低生长速率条件下，该法则是否还适用，是领域内尚未解决的问题。针对该关键科学问题，申请人拟通过显微观测、定量PCR、流式细胞检测、微流控和单细胞实时成像等研究手段，利用合成生物学技术线性改变细胞大小，对低生长速率条件下的细胞周期进行系统研究。本项目的开展将深化人们对细菌细胞周期的理解，为研究细菌细胞周期调控的分子机制提供重要线索。

基于群体水平研究揭示的定量规律对于从整体层面理解细胞生长相关的协调机制至关重要。“SMK生长法则”、“恒定起始质量法则”这两个定量规律奠定了当前细菌细胞周期领域研究的基础，其形成的范式模型主导了最近半个多世纪相关的研究。在之前的一项研究中，我们在两种对应高生长速率（即倍增时间低于60分钟）的培养基中，通过扰动细胞尺寸对上述法则进行了验证。主流观点认为，上述法则在高生长速率区域成立；但是，低生长速率区域的细菌细胞周期运行调控模式至今不明。在本项研究中，我们系统、全面、定量的研究了非常宽的生长速率范围内细菌细胞周期运行情况，研究结果表明无论是“SMK生长法则”还是“恒定起始质量法则”都不能很好的描述测得的定量实验数据。进一步，我们揭示了“个体生长分裂方程”，即细菌细胞大小正比于生长速率和细菌细胞DNA复制周期的乘积。在此基础上，我们提出了以“分离许可物”为核心的细菌细胞分裂控制机制假说模型。该模型认为，“分裂许可物”的积累由细胞生长和DNA复制相关事件共同决定；当“分裂许可物”积累达到阈值时，细胞分裂。总的来说，本项研究有望作为基础为细菌细胞周期领域相关的研究带来新的活力和机遇。