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近日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学工程研究中心研究员刘陈立团队在细菌细胞周期控制领域取得重要研究进展，相关论文《扰动细胞尺寸探寻大肠杆菌细胞周期》（Interrogating the E. coli cell cycle by cell dimension perturbations）发表在国际学术期刊《美国科学院院刊》（PNAS）上。

合成生物学是近年来发展迅速的新兴交叉学科，它通过“自下而上”的理念，由“元件”到“模块”再到“系统”来设计自然界不存在的人工生物系统，或对已有自然生物系统进行改造、重建，以满足生物医药工程、工业化生产的需求或回答基础生命科学的基本问题，其最终目标是创造生命。近年来，科学家们获得了大量新的合成生物学元件，并组装出具有相应功能的基因回路；但要实现合成生命这一远大目标，不仅需要足够的“元件”，还需要对生命活动的调控机理有透彻的理解。设计制造一辆汽车，需要考虑外形、重量、发动机、动力与重量的协调性；同样，设计创造一个新的细胞，也要考虑细胞形状和大小、DNA序列及含量、以及它们之间的协调性。然而，生命科学在这些问题上的理解深度还远不足以让科研人员像设计汽车一样设计创造符合需求的细胞。细菌是最简单的单细胞生命，深入了解其生命活动调控机理对实现创造生命的目标具有重要意义。

不同物种细胞的基因组序列各不相同，细胞形态与大小也各异；即使基因组序列完全一致的细胞，其形态与大小也并非一成不变。以大肠杆菌为例，不同培养条件下，细胞大小的差异可达10倍；细胞越大，DNA就越多。那么细菌如何协调细胞大小和细胞内DNA复制这两个事件？这一问题已困扰科学家60多年。细胞内不同代谢反应相互交织形成极其复杂的调控网络，生长速率对这一网络有重要影响，生长速率的改变通常改变细胞生理状态，使问题分析复杂化。如果能在维持细胞正常生理状态的前提下调整细胞形态大小，将能更好地回答上述问题。

刘陈立团队将合成基因回路引入细胞中，解耦天然调控网络，在正常生理条件下，通过改变目标基因的表达水平精确定量控制细胞的直径或长度。在此基础上，他们探索了细菌细胞如何协调细胞大小与细胞内DNA复制。研究结果提示：细胞通过控制DNA复制的起始来协调细胞大小，二者关系可用一个简单的数学公式描述。这一公式具有广泛适用性，既可描述不同生长速率下的细胞大小，也适用于描述细胞直径或长度扰动后细胞大小的改变。基于该定律，结合定量调控特定蛋白表达水平的基因回路，人们可根据实际需求设计并建造出特定长宽的细菌细胞。

该研究展现了合成生物学手段在回答生命科学基础问题中的应用。尽管细菌细胞如何协调细胞大小与DNA复制的分子机制仍是一个谜，但未来的研究将在此方向深入探索。通过这类合成生物学研究，科研人员将逐步揭示细胞运作的基本原理，最终实现理性设计人造生命的目标。

该工作由医药所合成生物学工程研究中心博士生郑海等在刘陈立指导下完成，获得了国家自然科学基金、“973”项目、“863”项目、广东省杰青及深圳市孔雀团队等基金的资助。