Nature合成生物學專輯推薦定量合成生物學全國重點實驗室成果:邁向精準生物設計之路
5月6日,國際學術期刊Nature推出“合成生物學”(Synthetic biology)專輯,并刊發(fā)專題文章“A Path to High-Precision Biological Design”,關注中國在定量合成生物學領域的研究進展。文章重點聚焦中國科學院深圳先進技術研究院(簡稱“深圳先進院”)定量合成生物學全國重點實驗室(簡稱“實驗室”),指出中國科學家正通過數(shù)學模型對細胞行為進行定量刻畫,為生命系統(tǒng)的理性設計奠定科學基礎。
深圳先進院院長、實驗室主任劉陳立研究員是這一領域的重要推動者。近年來,團隊提出并持續(xù)完善了“定量合成生物學”這一新研究范式,核心思路是讓“數(shù)學模型”與“實驗驗證”反復對話、相互校準,從而揭示生命演化背后的定量規(guī)律。這一范式正在推動合成生物學從傳統(tǒng)的“試錯驅動”轉向“理性設計”,逐漸成為國際學界共識的重要發(fā)展方向。
目前,實驗室正重點推進三大策略,一是解析生命本身的設計原理;二是用模塊化組件一步步構建生物系統(tǒng);三是借助人工智能來加快研發(fā)速度,優(yōu)化研發(fā)流程。圍繞定量合成生物學,Nature選取了實驗室三項代表性研究成果進行介紹。
解析生長:建立細胞尺寸調控框架
細胞為什么長到一定大小才會分裂?這是生命科學的基本問題之一。研究團隊以大腸桿菌為模型,在不同營養(yǎng)條件下系統(tǒng)測量細胞生長行為。過去的主流模型認為,細胞要長到某個固定大小才開始復制DNA。但這一模型難以解釋團隊觀察到的新現(xiàn)象。通過大量實驗數(shù)據(jù),團隊發(fā)現(xiàn)細胞尺寸與“生長速率乘以DNA復制到分裂所用的時間”之間存在清晰的線性關系?;谶@一發(fā)現(xiàn),團隊建立了新的數(shù)學模型,并成功實現(xiàn)對細胞分裂尺寸的精準控制——在不改變生長速度的前提下,通過調節(jié)基因表達來“設定”細胞什么時候分裂。這項研究為理解細胞如何調控自身尺寸提供了全新的定量框架,也為未來人工設計合成細胞提供了重要的方法學基礎。
空間博弈:揭示微生物群體競爭新規(guī)律
如果把不同細菌放在同一個培養(yǎng)皿里,它們會怎么競爭、怎么分布?研究團隊通過長期演化實驗和定量分析,發(fā)現(xiàn)了一些反直覺的規(guī)律。在一個圓形培養(yǎng)皿上,細菌的“戰(zhàn)場”并不均勻。團隊發(fā)現(xiàn),在中間擁擠的區(qū)域,跑得慢的細菌反而更有優(yōu)勢;而在邊緣開闊地帶,跑得快的細菌才能占上風。換句話說,空間位置決定了哪種策略更“劃算”?;谶@一現(xiàn)象,團隊提出了一個數(shù)學公式,清晰描述了棲息地大小、細菌生長速度和遷移能力三者之間的定量關系。這個公式可以精確預測和調控細菌群體的空間分布,為設計微生物群落的有序結構提供了重要的理論工具。
精準醫(yī)療:破解細菌治療腫瘤的基本原理
用細菌治療腫瘤的探索已有逾百年歷史,雖已開發(fā)出多種候選菌株,但實現(xiàn)臨床轉化的仍較為有限。其關鍵挑戰(zhàn)在于療效與生物安全性的協(xié)同控制,即在增強其腫瘤殺傷能力的同時,有效規(guī)避對健康組織的感染風險。實驗室團隊通過工程化改造細菌,使其在腫瘤中選擇性存活,在健康組織中則被快速清除。研究進一步發(fā)現(xiàn),腫瘤微環(huán)境中存在一個獨特的調控機制,涉及一種名為白細胞介素-10(IL-10)的免疫分子。團隊通過結合數(shù)學模型與定量實驗,揭示了細菌如何“借用”這一機制,在腫瘤內部同時實現(xiàn)既激活休眠的抗腫瘤免疫細胞、又抑制腫瘤內抗菌免疫細胞,從而將治療效果精準的限制在腫瘤區(qū)域。這項研究系統(tǒng)闡明了細菌靶向治療腫瘤的定量合成生物學機制,填補了該領域的重要理論空白,為開發(fā)安全、高效的活菌藥物奠定了科學基礎,并有力推動了相關生物制造和臨床試驗的進程。
合成細胞:開啟人工生命系統(tǒng)設計新局
面向“人工合成單細胞生命”這一宏偉目標,實驗室正系統(tǒng)解決生命系統(tǒng)標準化研究的瓶頸問題。實驗室自主建設的合成生物研究全自動化實驗平臺,已達到全球領先的自動化及綜合通量水平,并于2025年進入由建設轉運營關鍵期。目前平臺已建成大規(guī)模合成生物元件庫與菌株資源庫,并構建了全鏈條研發(fā)服務矩陣。
在持續(xù)完善技術體系的同時,實驗室還積極推動國際合作,發(fā)起成立了合成細胞國際聯(lián)盟及合成細胞亞洲聯(lián)盟,探索建立開放包容的協(xié)同研究機制。正如劉陳立所言,實驗室團隊正致力于從無生命的生物大分子出發(fā),構建具備生命基本屬性的人工合成細胞,真正實現(xiàn)生命系統(tǒng)的理性設計,并探索其在生物制造與生物醫(yī)學等方向的應用潛力。
定量合成生物學全國重點實驗室長期面向全球引進優(yōu)秀人才,誠邀相關研究方向科研人員加入,共同推進合成生物學前沿發(fā)展。
聯(lián)系方式:isynbio_hr@siat.ac.cn。
定量合成生物學全國重點實驗室
定量合成生物學全國重點實驗室(以下簡稱“實驗室”)依托中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所建設,實驗室定位面向世界科技前沿,以國家重大戰(zhàn)略任務為牽引,聚焦合成生物學缺乏理性設計和高效構建能力的重大挑戰(zhàn),瞄準生命功能涌現(xiàn)定量原理和合成生物使能技術兩大研究方向,圍繞合成細胞和工程細胞兩個重點任務布局,形成合成生命、設計生命的原始創(chuàng)新能力,為生物制造產(chǎn)業(yè)變革提供源頭創(chuàng)新驅動,發(fā)展合成生物技術賦能的下一代生物制造,筑牢全球合成生物學科技制高點。
實驗室聚焦“合成細胞”與“工程細胞”兩大重點任務,有力支撐國家重大戰(zhàn)略需求。牽頭承擔了中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項(B 類)、國家自然科學基金委基礎科學中心項目(B類)等國家級重大科技任務,成員作為負責人主持國家重點研發(fā)計劃項目35項。近五年,團隊成員在Cell、Nature、Science及其主要子刊發(fā)表高水平論文190余篇,相關成果連續(xù)兩年入選中國十大科技進展新聞,并榮獲省部級以上科技獎勵19項。實驗室牽頭建設“合成生物研究重大基礎設施”,重點構建了涵蓋設計學習、合成測試與用戶檢測的三大核心功能平臺。實驗室積極促進科技成果轉化與應用,牽頭建設國家生物制造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心,聯(lián)合央企、國企及行業(yè)龍頭企業(yè),構建從原創(chuàng)突破到產(chǎn)業(yè)落地的全過程創(chuàng)新鏈。

對于大腸桿菌生長的定量研究,為揭示生命的普遍規(guī)律提供了重要啟示,這些規(guī)律可用來指導對生命系統(tǒng)的理性設計

定量合成生物學全國重點實驗室的研究人員正在量化細胞行為,為合成生命系統(tǒng)的設計提供依據(jù)

合成生物研究重大科技基礎設施配備先進的自動化和高通量平臺
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