科學家構建細胞比例精準控制的合成基因線路

自然界中，無論是動物發育還是微生物群落形成，復雜生命系統的建立都依賴細胞分化與功能分工。不同類型的細胞不僅承擔不同任務，還要以特定比例和空間分布組織在一起，才能形成穩定而高效的系統。

那么，我們能否通過“編程”，讓細胞按照設定的規則，主動分化成不同功能的子細胞，并精準控制它們的數量和分工，從而促進生物制造、再生醫學等領域的發展？

3月19日，中國科學院深圳先進技術研究院研究員鐘超團隊聯合哈佛大學教授George Church團隊，在《自然》發表最新研究成果。研究團隊構建了一種基于重組酶的可編程細胞分化與比例控制平臺，就像一個“生物程序員”，通過“預設規則”，能讓單一祖細胞自主生成多種子代細胞，并能定量調控該細胞的分化比例和順序。深圳先進院為第一完成單位。

該研究創新性地將復雜多細胞系統中“細胞分化比例”這一關鍵參數轉化為可預測、可計算、可工程化設計的對象，為復雜多細胞系統的理性構建提供了全新方法，有望為活體材料、類器官構建、智能生物制造等領域提供新的技術路徑。

給細胞裝上“指示牌”，實現精準分化

過去，合成生物學已經能夠在一定程度上調控細胞行為，但當細胞類型增多時，系統復雜度會迅速上升，同時也缺乏對子代細胞比例的精準控制。如何讓一個細胞不僅“會分化”，還能夠“按比例分化”，一直是這一領域面臨的關鍵問題。

圍繞這一難題，研究團隊開發出一套能夠引導細胞“分岔選擇”的分化裝置，如同按上“指示牌”，當誘導信號出現后，細胞會沿不同路徑分化，最終形成兩類不同命運的子代。實驗顯示，這套裝置在細菌、酵母和哺乳動物細胞中都得到了驗證，而且兩類子代細胞的比例并非完全隨機，而是呈現出穩定的定量關系。

為了進一步實現精準調控，團隊對這一裝置進行了持續優化，最終將子代細胞的比例調控范圍拓展到約0.1%至99.9%——就像一個“細胞調色盤”，想要多少比例的子代細胞，就能調出多少。此外，團隊還建立了一個數學模型，可以根據設計好的“開關”結構預測最終細胞的比例。這意味著，細胞分化從過去更依賴試驗摸索，開始走向“可設計、可預測”，這也正是定量合成生物學所強調的核心能力。

除了精準分化，還能“分工合作”

在進一步的研究中，研究團隊此前的系列技術整合成一種基于重組酶的可編程細胞分化與比例控制平臺。

在這一平臺上，研究人員不僅能夠調控細胞分化的結果，還能夠進一步設計細胞之間的比例關系和分工方式。團隊首先構建了一個“菌群調色板”系統，讓祖細胞分化為分別合成不同色素的兩類子代，通過調節比例，使整個群體呈現出從深紫到亮橙的連續顏色變化效果。

隨后，團隊又將該平臺用于纖維素降解，讓不同子代細胞分別承擔不同任務，在保持整體效率的同時，顯著降低單個細胞承擔全部功能的負擔。換句話說，這個平臺不僅能夠讓細胞“分出來”，還能讓它們“分工合作”，進一步展現出定量合成生物學在復雜細胞群體設計中的應用潛力。

有望給活體材料構建帶來新思路

除了實現“如何讓細胞精準分化”，研究團隊更關注的是，這種精準分化未來能夠帶來什么？

通過這一創新平臺，研究人員除了實現讓分化的細胞“分工合作”，還通過設定規則，將其組合起來，形成具有一定空間結構的細胞群體。“這意味著，細胞不再只是‘各自工作’，而是開始具備構建復雜系統的潛力，有望為組織工程和再生醫學拓展新的可能。”論文通訊作者鐘超研究員表示。

“這不僅是在做微生物發酵，我們更希望推動這些‘智能細胞’成長為具有特定功能的‘活體材料’。”鐘超表示，“例如，能夠自我修復的生物皮膚、可按需合成藥物的微型類器官，甚至可用于移植的人工組織雛形，都是值得期待的應用場景。”

研究團隊表示，下一步將繼續提升該平臺的穩定性、精度和可擴展性，并進一步引入細胞“對話”、自反饋調控和環境響應模塊，推動其在工程活體材料、類器官構建、組織工程和智能治療系統中的應用驗證。

隨著合成生物學持續向更復雜的生物制造體系演進，以定量設計為特征、能夠實現分化、分工與自組織協同的底層技術，有望在未來生物制造、生命健康等前沿方向發揮更大作用。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-026-10259-3