科學家們對細胞分裂的議題存有歧見，而新的統計研究可以修補這道間隔

細菌細胞並不是某天早上醒來就突然決定要成為父母的，它們的細胞週期中，經過了充足的生長並複製基因組之後，便會出現一個時刻，它們分裂成兩個新細胞，接著這些新細胞會不斷重複這些過程。那麼是什麼告訴細菌是時候該分裂了呢？科學家們在這個問題上一直存在著分歧的看法。

在過去的幾年裡，當科學家們試圖找出決定細菌何時分裂的生物信號時，仰賴於一項允許他們追蹤單顆細菌細胞的新技術，以觀察細胞及其所有後代數百代的生命週期。問題在於使用這個系統的實驗，產生了互相矛盾的模型，且每個模型都將細胞分裂的時間歸因於不同的因素。在發表於《美國國家科學院院刊》（PNAS）的新研究中，由以色列魏茲曼科學研究院的研究人員所帶領的團隊使用統計推理，推論出最可信的細胞分裂模型。這種方法的優勢在於，它直接針對核心問題（確定分裂的因果因素），而無需導入具體的生物機制。

在之前的研究中，科學家們追蹤了細菌細胞的分裂過程，觀察出細胞從DNA複製開始到分裂的整個過程中，其體積增加了完全相同的量。由此他們推斷，當遺傳物質完成複製時會告訴細胞應該開始進行分裂。然而研究也顯示，細胞從誕生到分裂的過程中，體積增加了完全相同的量。這項觀察推導出了另一個相反的模型，也就是細胞分裂的倒數計時從細胞誕生時便已經開始。根據這項觀點，一種調控蛋白打從一開始就在細胞中積累，設定了一個當這種蛋白質累積到某一定的條件時會響起的鬧鐘。為了解決這個矛盾，第三個模型結合了這兩種模型，提出了調控蛋白和基因複製共同參與的可能性。

由於這些模型都基於相關性：科學家們注意到細菌細胞週期某些部分的生長限制似乎與細胞分裂同步。但是任何一個科學背景的學生都可以告訴你，相關性並不等於因果關係。也就是說，蛋白質累積或DNA複製可能與分裂信號同時發生，但與該信號沒有因果關係。

為了在兩個細胞分裂模型之間做出選擇，魏茲曼科學研究院複雜系統物理學系（Physics of Complex Systems Department）Prof. Ariel Amir和國際聯合團隊使用了條件式獨立性檢定，這是由以色列裔美國科學家Judea Pearl開發的統計工具，因其在這個方法中的技術研究而獲得圖靈獎。研究人員將這項測試應用於與美國田納西大學（University of Tennessee）合作所收集的資料，這些數據來自不同批次的數百種大腸桿菌的生長情況。有些細胞在快速分裂的條件下生長，而其他細胞則在較慢生長的條件下生長。資料包括細胞生命週期中不同階段的時間以及每個階段細胞的大小。

條件式獨立性檢定提出了「若－則」的問題，可以測試出哪些相關性只是巧合，並不具備因果關係。於美國哈佛大學研究生Prathitha Kar的帶領下，團隊比較了在DNA複製階段大小相似但在誕生時大小不同的一組細菌細胞。如果細胞分裂時間僅依賴於DNA複製的模型是正確的，那麼在複製時大小相似的細胞應該會在相似的時間分裂，不論它們誕生時的大小。如果這個模型是錯的，而是從誕生開始蛋白質的累積決定了細胞何時分裂，那麼在誕生時大小不同的細胞會在不同的時間分裂，並且誕生時的大小與分裂時的大小之間會存在相關性。

研究人員驚訝地發現，兩種模型都是有效的，而不是像第三個「混合」模型所提出的方式。當細菌細胞生長速度較慢時，僅DNA複製過程決定了細胞何時分裂。然而當細胞生長速度較快時，情況變得更為複雜。研究人員發現，從細胞誕生的開始和DNA複製的過程一同決定了細胞何時分裂。最終研究人員還發現了一個現象，代表細胞分裂已達到無法回頭的地步：當細胞中心開始形成一個環時，細胞註定要分裂成為兩個細胞。

科學家們還使用條件式獨立性檢定來推翻一個普遍相信的理論，即一代中的DNA複製時間嚴格決定了下一代的DNA複製時間。相反地，他們顯示親代細胞在DNA複製後經歷的過程，可以影響子代細胞何時開始複製自己的遺傳物質。

「使用統計方法確認因果關係，使我們對細菌細胞的生長和分裂過程有了更好的理解」，Prof. Amir說。「條件式獨立性檢定在流行病學、經濟學等領域已被廣泛使用。我相信，具備對各種病原體的生長和繁殖過程的特徵進行描述的能力，將為未來開發更有效的抗生素奠下知識的基石」。

資料來源：

https://wis-wander.weizmann.ac.il/space-physics/how-does-bacterium-know-it’s-time