自然界中，復雜生命系統(tǒng)的建立都依賴細胞分化與功能分工。日前，中國科學院深圳先進技術研究院等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。該平臺就像一個“細胞程序員”，通過“預設規(guī)則”，能讓單一祖細胞自主生成多種子代細胞，并能定量調(diào)控該細胞的分化比例和順序。

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給細胞裝上“指示牌”

過去，合成生物學已經(jīng)能夠在一定程度上調(diào)控細胞行為，但當細胞類型增多時，系統(tǒng)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(fā)出一套能夠引導細胞“分岔選擇”的分化裝置，如同安上“指示牌”，當誘導信號出現(xiàn)后，細胞會沿不同路徑分化，最終形成兩類不同命運的子代。

▲合成基因線路通過重組酶開關和反饋控制，對細胞群體比例進行程序化調(diào)控。

實驗顯示，這套裝置在細菌、酵母和哺乳動物細胞中，均得到了驗證，而且兩類子代細胞的比例并非完全隨機，呈現(xiàn)出穩(wěn)定的定量關系。

為了進一步實現(xiàn)精準調(diào)控，團隊對這一裝置進行了持續(xù)優(yōu)化，最終將子代細胞的比例調(diào)控范圍拓展到約0.1%至99.9%——就像一個“細胞調(diào)色盤”，想要多少比例的子代細胞，就能調(diào)出多少。

此外，團隊還建立了一個數(shù)學模型，可以根據(jù)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(diào)的核心能力。

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讓細胞“分工合作”

基于以上研究，團隊進一步構建出一種基于重組酶的可編程細胞分化與比例控制平臺。

基于平臺，研究人員不僅能夠調(diào)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(diào)色板”系統(tǒng)，讓祖細胞分化為分別合成不同色素的兩類子代，通過調(diào)節(jié)比例，使整個群體呈現(xiàn)出從深紫到亮橙的連續(xù)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。

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(xiàn)出定量合成生物學在復雜細胞群體設計中的應用潛力。

研究首次將復雜多細胞系統(tǒng)中“細胞分化比例”這一關鍵參數(shù)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(tǒng)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。

來源：中國科學院深圳先進技術研究院

責任編輯：宋同舟