合成生物學新突破！中科院深圳先進技術研究院鐘超團隊發表Nature！

在自然界中，多細胞生物的干細胞能夠通過不對稱分裂，產生具有不同表型的子代細胞，最終形成功能各異的組織器官。這種精密的細胞分化機制一直是合成生物學家夢寐以求的仿生目標。盡管科學家們已經開發出多種遺傳工具來創造多樣化的細胞群體，但如何從一個單一祖細胞出發，精確控制多種細胞類型在群體中的比例，始終是領域內的一大技術瓶頸。

2026年3月18日，《Nature》雜志在線發表了題為《Synthetic circuits for cell ratio control》的研究論文。該研究由中國科學院深圳先進技術研究院鐘超研究員、哈佛醫學院George M. Church教授和Tzu-ChiehTang共同通訊，首次報道了一套基于重組酶的細胞命運分支裝置，可實現對細胞群體比例的數字化精準調控。

研究團隊首先設計了一個基于Bxb1重組酶的核心分支裝置，通過在基因組中插入attB-attP-attB位點結構，并分別連接Venus綠色和mScarlet紅色熒光蛋白。誘導重組酶表達后，單個細胞會隨機選擇切除左側或右側DNA片段，從而穩定表達其中一種熒光蛋白。該機制在大腸桿菌、釀酒酵母和HEK293FT細胞中均表現出穩健的分化能力。

為深入解析分化比例的調控機制，研究團隊系統探索了多個影響因素。通過更換左右臂的啟動子組合，發現強啟動子pTDH3會因轉錄機器的空間位阻降低重組效率，導致分化偏向另一臂。調整DNA序列長度時，左右臂長度比從1:1變為10:1可使紅色細胞比例從62%升至96%，顯示物理距離對重組效率的顯著影響。

研究人員進一步利用突變型attP位點調節重組酶親和力，構建了六種不同構型，成功將綠色細胞比例在13.4%至68.3%之間精細調控。將這些因素整合后，團隊建立了包含五個微分方程的白箱模型，可準確預測不同設計參數下的分化比例，預測值與實驗結果的R2高達0.887。

在并行電路設計中，研究團隊將兩個正交分支裝置整合入同一酵母基因組，利用不同中央二核苷酸的att位點實現互不干擾的獨立重組。根據乘法規則，兩個裝置可產生四種細胞狀態，其比例可由各裝置分化概率相乘精確計算，實驗觀測與理論預測高度吻合。擴展至三個裝置時，成功獲得八種熒光表型的細胞群體。

為獲得極端低比例的細胞亞群，團隊設計了基于LacI抑制子的分支裝置。單個裝置可產生約8-9%的紅色熒光細胞，集成兩個正交裝置后紅色細胞比例降至1%，三個裝置聯用進一步壓低至0.1%。這種指數級調控策略為需要極罕見啟動事件的應用場景提供了解決方案。

團隊還構建了級聯式時序分化電路。第一層由β-雌二醇誘導的Bxb1將細胞分為藍色熒光細胞群和含TP901重組酶盒的未分化細胞群；第二層經aTc誘導后，后者進一步分化為綠色和紅色細胞。最終綠色和紅色細胞的比例可由兩層分化概率相乘準確計算。三層級聯系統進一步驗證了該設計原則的通用性。

在功能驗證層面，研究團隊將該系統應用于色素生產。單個分支裝置調控Z3EV和PhIF-VP16轉錄因子，分別驅動紫色 violacein和橙色β-胡蘿卜素的生物合成途徑。通過調節分支裝置參數，可連續獲得從純紫到純橙的系列顏色梯度，構建了包含25種不同分化比例的合成電路文庫。在纖維素降解應用中，兩級時序電路驅動酵母分化為分泌EG2、CBH2和BGL1三種纖維素酶的子細胞群體，優化比例后其葡萄糖產量與三酶共表達相當，但避免了生長負擔。

為探索形態發生編程，團隊將細胞黏附分子作為分支裝置的輸出。四種篩選出的黏附對（Nb3-Ag3、Nb1-Ag1、SpyTag-SpyCatcher和dockerin-cohesin）均能誘導細胞聚集。通過調控Nb3與Ag3細胞比例，發現1:1配比可形成最大尺寸的聚集體。在雪花酵母中引入Ag3和Nb3表達，可使異型細胞接觸頻率從6.6%提升至19.5%。在哺乳動物CHO-K1細胞中，結合synNotch信號系統，單個祖細胞經誘導可自發形成sender和receiver兩種細胞類型，通過膜結合EGF與LaG17受體特異性識別，觸發cadherin-1表達和mCherry熒光，最終在96小時內形成空間有序的多細胞聚集體。

READING

BioPeers

歡迎關注本公眾號，所有內容歡迎點贊，推薦??，評論，轉發~

如有錯誤、遺漏、侵權或商務合作請私信小編~~

歡迎大家投稿課題組 研究進展 、招聘及招生宣傳~

所有文章只為科普、科研服務，無商業目的~