细菌是最简单的单细胞生命

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；细胞越大，DNA就越多。那么细菌是如何协调细胞个体大小和细胞内DNA复制这两个事件的呢？这个问题已经困扰科学家们60多年。细胞内不同代谢反应相互交织形成了一个极其复杂的调控网络，生长速率对这一调控网络有着重要的影响，生长速率的改变通常改变细胞的生理状态，使问题的分析变得复杂。如果能在维持细胞正常生理状态的前提下对细胞的形态大小进行调整将能更好地回答上述问题。
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，他们对细菌细胞是如何协调细胞大小与细胞内DNA复制这一问题进行了探索。研究结果提示：细胞通过控制DNA复制的起始来协调细胞个体的大小，二者之间的关系可以用一个简单的数学公式来描述。这一公式具有广泛的适用性，既可以描述不同生长速率条件下的细胞大小，也适用于描述细胞直径或长度的扰动后细胞大小发生的改变。基于该定律，结合定量调控特定蛋白表达水平的基因回路，人们可以根据实际需求轻松设计并建造出特定长宽的细菌细胞。
到目前为止，细菌细胞是如何协调细胞大小与细胞内DNA复制的分子机制还是一个谜，未来的研究将着重在这个方向上进行更深入的探索。通过该类合成生物学研究，科研人员将能够逐步揭示细胞运作的基本原理，最终达到理性设计人造生命的目标。