细菌细胞直径控制机制的研究

In nature, the cells of different bacterial species have different sizes, which is one of the most basic features of the living organism. Over the past 100 years, biologists have been wondering what determines the size of cells. In the last decade, evidences have been accumulated to address the mechanisms affecting bacterial cell length. It can be easily explained by the coordination of cell elongation and division, mainly by regulating the activity of the FtsZ protein. However, little is known about how the bacteria set and maintain a specific and uniform diameter. This question sounds "simple"; but, it is the most basic but unanswered question in this field. One important reason is the lack of an experimental system, in which the cell diameter can be adjusted without affecting cell growth. In our previous study, we found that by linearly tuning the expression of the cytoskeletal protein, MreB, the diameter of the bacteria could be quantitatively altered, while the length and growth rates remain unchanged. Based on this finding, the proposal aims to systematically investigate how bacterial cells control the diameter. Knowledge gained here will not only give insight into the causal relation between cellular structure and function, but may also provide potential targets for broad-spectrum antimicrobial drug development and a theoretical basis for the "rational design" of synthetic life.

自然界中，不同物种有着不同的大小，这是生物体最基本的特征之一。 长度和直径是描述细菌大小的两个主要参数。最近十年，人们对于长度的控制机制已有了较清晰的理解，细菌主要通过调节FtsZ蛋白的活性，协调伸长和分裂等细胞活动来控制长度。然而，细菌是如何建立和保持一个特定和均匀的直径？这个问题看起来"简单"，却是该领域最基本但悬而未决的问题。其中一个重要原因是缺乏一种可以任意改变细胞直径同时不影响细胞生长的研究系统。我们在前期工作中，发现通过线性调控骨架蛋白MreB的表达量，能够在保持长度和生长率不变的情况下，定量地改变细菌的直径。基于该发现，本课题拟围绕细菌如何控制直径这一关键科学问题, 从细胞力学、生物约束、动态过程以及分子调控机制等方面开展系统研究，揭示细菌直径控制原理。本研究的实施不仅将加深对细胞大小形成过程的了解，促进微小结构材料工程的发展，还将有可能发现更多更新颖的药物靶标。

不同物种细胞的基因组序列各不相同，其细胞形态与大小也各异；即使基因组序列完全一致的细胞，其细胞形态与大小也并非一成不变。以大肠杆菌细胞为例，不同的培养条件下，其细胞大小的差异可以高达10倍。细菌细胞直径和长度的控制机制以及不同条件下细菌细胞协调细胞生长、DNA复制以及细胞分裂的机制是微生物生理学领域重要的基础科学问题。本研究基于负反馈基因回路构建了MreB或FtsZ的表达水平定量可调的大肠杆菌菌株，实验观测发现，在一定范围内改变MreB或FtsZ的表达水平，细胞生长速率维持稳定。改变MreB表达水平影响细菌细胞直径，MreB表达水平越低，细胞直径越大；而改变FtsZ表达水平则影响细菌细胞长度，FtsZ表达水平越低，细胞越长。通过多不同直径的细胞的深入分析，我们发现，细胞直径增加伴随细胞整体刚性下降及细胞内钾离子浓度下降，我们提出细胞壁刚性和细胞内膨压的相互平衡在维持细菌细胞直径中发挥了重要的作用。基于合成生物“建物致知”的研究思路，我们对细菌细胞尺寸扰动情况下细菌细胞周期的协调机制进行了探索。研究结果表明，无论是改变细胞直径还是改变细胞长度，C周期都保持不变而D周期发生改变；细胞越大，D周期越长。进一步，我们在细菌细胞尺寸扰动的情况下，验证了经典的SMK生长法则。同时，我们还证明了该法则对应的主要细胞形态大小参数是细胞体积，提示细胞直径和长度是相互制约的两个参数，一旦体积和长度确定，细胞直径也就被决定了。基于SMK生长法则，结合定量调控特定蛋白表达水平的基因回路，人们可以根据实际需求轻松设计并建造出特定长宽的细菌细胞。

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