可编程细胞问世：像“编程”一样指挥细胞生长，未来能造器官能治病

自然界中，无论是动物发育还是微生物群落形成，复杂生命系统的建立都依赖细胞分化与功能分工。不同类型的细胞不仅承担不同任务，还要以特定比例和空间分布组织在一起，才能形成稳定而高效的系统。那么我们能否通过“编程”，让细胞按照设定的规则，主动分化成不同功能的子细胞，并精准控制它们的数量和分工，从而促进生物制造、再生医学等领域的发展？

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中国科学院深圳先进技术研究院科研团队联合哈佛大学研究团队，成功构建了一种基于重组酶的可编程细胞分化与比例控制平台。该平台就像一个“生物程序员”，通过“预设规则”能让单一祖细胞自主生成多种子代细胞，并能定量调控该细胞的分化比例和顺序。该成果3月19日在国际学术期刊《自然》发表。

合成基因线路通过重组酶开关和反馈控制，对细胞群体比例进行程序化调控。图源：中国科学院深圳先进技术研究院

过去，合成生物学虽在一定程度上能调控细胞行为，但当细胞类型增多时，系统复杂度会迅速上升，同时也缺乏对子代细胞比例的精准控制。如何让细胞“会分化”“按比例分化”，一直是该领域难题。基于此，研究团队前期开发出一套能够引导细胞“分岔选择”的分化装置，当诱导信号出现后，细胞会沿不同路径分化，最终形成两类不同“命运”的子代。

为实现精准调控，团队对这一装置进行持续优化，最终将子代细胞的比例调控范围拓展到约0.1%至99.9%。据此，团队建立的数学模型可根据已设计的“开关”结构预测最终细胞的比例。这意味着细胞分化从过去更依赖试验摸索，开始走向“可设计、可预测”。

在进一步研究中，研究团队将系列技术整合成一种基于重组酶的可编程细胞分化与比例控制平台。在该平台，研究人员不仅能够调控细胞分化结果，还能够进一步设计细胞之间比例关系和分工方式。

研究团队在将该平台用于纤维素降解中时发现，平台不仅能够让细胞“分出来”，还能让细胞“分工合作”，进一步展现出定量合成生物学在复杂细胞群体设计中的应用潜力。

研究团队表示，将继续提升该平台的稳定性、精度和可扩展性，并进一步引入细胞“对话”、自反馈调控和环境响应模块，推动其在工程活体材料、类器官构建、组织工程和智能治疗系统中的应用验证。

这项研究创新性地将复杂多细胞系统中“细胞分化比例”这一关键参数转化为可预测、可计算、可工程化设计的对象，为复杂多细胞系统的理性构建提供了全新方法，有望为活体材料、类器官构建、智能生物制造等领域提供新的技术路径。