北京时间3月19日，来自中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室的钟超团队，携手哈佛大学Wyss研究所的George Church教授课题组，在国际顶级期刊《自然》上披露了一项重磅成果。他们成功搭建了一套基于重组酶的可编程细胞分化与比例控制系统，这个系统就像个“生物程序员”，能预先设定好规则，指挥单一祖细胞自主地衍生出多种子代细胞。科学家们利用重组酶开关和反馈机制，把细胞群体的比例也纳入了可编程的范围。 这项研究最大的突破在于，把复杂多细胞系统里那个关键的“分化比例”变成了能计算、能设计的对象。过去合成生物学虽然能干预细胞行为，但细胞类型一多，系统就乱套了，更别提精准控制比例。为了让一个细胞既会分化又能按比例分裂，研究团队给它装了一套“指示牌”，也就是分岔选择装置。只要有诱导信号出现，细胞就会往不同方向走，最后生出两类命运不同的子代。实验表明，不管是细菌、酵母还是哺乳动物细胞，这套装置都管用，且子代比例不是瞎猜的，而是稳定的定量关系。 为了让调控更精准，团队不断优化装置，最终把比例范围扩大到了0.1%到99.9%之间——就像是个“细胞调色盘”，想调出多少比例的子代都行。他们还建立了数学模型，只要设计好开关结构就能算出结果。这意味着细胞分化不再全靠试错，而是可以被设计和预测，这正是定量合成生物学强调的能力。 有了这个平台，研究人员不光能管结果，还能决定细胞之间的比例和分工。他们先造了个“菌群调色板”，让祖细胞变成合成不同色素的两类子代；接着又在纤维素降解上用了这套技术。通过把不同任务分给不同子代细胞，整体效率提上去了，单个细胞的负担也轻了。 除了让细胞精准分化、分工合作，科学家们更关心这种精准性能带来什么。他们发现用这套规则组合细胞后能形成特定的空间结构。钟超研究员说：“这让细胞有了构建复杂系统的潜力，对组织工程和再生医学很有帮助。”他还举了些例子：像会自我修复的生物皮肤、能按需合成药的微型类器官，甚至是能移植的人工组织雏形。 接下来的计划是让这个平台更稳、更准、扩展性更强，还要加入细胞间的对话、自反馈和环境响应模块。随着合成生物学往更复杂的体系走，这种能分化、分工又能自组织的底层技术在未来生物制造和生命健康方面肯定大有可为。 在这项研究中，深圳先进院的钟超研究员、哈佛Wyss研究所的George Church教授和Tzu-Chieh Tang博士是共同通讯作者；张倩负责项目实施并完成雪花酵母的构建；王腾负责白箱模型的建立与优化。另外还有安柏霖青年研究员主导了实验验证和平台搭建；深圳先进院作为第一完成单位；课题组的其他成员也在基因线路构建、数据采集等方面通力合作，共同推进了这项研究。