自然界中，復雜生命系統的建立都依賴細胞分化與功能分工。那麼，人們能否通過“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，並精准控制它們的數量和分工？

近日中國科學院深圳先進技術研究院定量合成生物學全國重點實驗室、合成生物學研究所鐘超研究員團隊聯合國外團隊發表最新研究成果。研究團隊構建了一種基於重組酶的可編程細胞分化與比例控制平台，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，並能定量調控該細胞的分化比例和順序。

該研究首次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。

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准控制。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，如同有了“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証，而且兩類子代細胞的比例並非完全隨機，而是呈現出穩定的定量關系。

為了進一步實現精准調控，研究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，研究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。

在進一步的研究中，研究團隊將此前的系列技術整合成一種基於重組酶的可編程細胞分化與比例控制平台。在這一平台上，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。換句話說，這個平台不僅能夠讓細胞“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。

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

通過這一平台，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。”論文通訊作者鐘超表示。

“我們希望推動這些‘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，甚至可用於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，下一步他們將繼續提升該平台的穩定性、精度和可擴展性，並引入細胞“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証。（記者黨文婷、嚴聖禾）