劉陳立領(lǐng)銜六國學(xué)者聯(lián)合發(fā)布亞洲首個合成細胞技術(shù)路線圖
5月26日,由中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院(簡稱“深圳先進院”)劉陳立研究員領(lǐng)銜,聯(lián)合來自中國、日本、韓國、新加坡、馬來西亞、泰國等亞洲六國的100多個實驗室,在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·生物技術(shù)》上發(fā)表題為“合成細胞亞洲技術(shù)路線圖”(A framework for building a synthetic cell from the SynCell Asia initiative)的文章,發(fā)布了亞洲首個合成細胞十年技術(shù)路線圖。該文聚焦“人工合成單細胞生命”這一世界科學(xué)前沿問題,規(guī)劃了亞洲未來十年攻關(guān)合成細胞的發(fā)展方向,系統(tǒng)梳理了構(gòu)建合成細胞面臨的四大核心挑戰(zhàn),并提出分階段目標(biāo),是主動融入全球創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)并率先提出自主技術(shù)路線圖的生動范例。
4月30日,習(xí)近平總書記在加強基礎(chǔ)研究座談會上指出,當(dāng)前新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速突破,全球科技競爭更加聚焦基礎(chǔ)前沿領(lǐng)域,原創(chuàng)性顛覆性創(chuàng)新的重要性日益凸顯,并強調(diào)要主動融入全球創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò),深化基礎(chǔ)研究國際交流合作。
技術(shù)路線圖的發(fā)布,展現(xiàn)了我國在科學(xué)前沿領(lǐng)域建制化攻關(guān)的組織優(yōu)勢,不僅為亞洲在該領(lǐng)域的協(xié)同創(chuàng)新提供了發(fā)展藍圖,更是在“無人區(qū)”探索中提出原創(chuàng)理論、設(shè)計原創(chuàng)路徑的一次具體體現(xiàn)。該技術(shù)路線圖將推動合成細胞研究從模塊化探索邁向系統(tǒng)化整合,并作為理論基石,促進定量合成生物學(xué)、人工智能與生物制造等領(lǐng)域的深度融合,為合成生物學(xué)與未來生物技術(shù)的發(fā)展開辟全新路徑。
直面基礎(chǔ)研究“無人區(qū)”
從零開始,利用磷脂、蛋白質(zhì)、DNA等生物大分子“自下而上”人工構(gòu)建單細胞生命,是生命科學(xué)最具挑戰(zhàn)的科學(xué)目標(biāo)之一,也是人類掌握生命底層設(shè)計法則的重要檢驗。
過去幾十年間,全球合成細胞研究格局逐步形成。歐洲的MaxSynBio、BaSyC、EVOLF,美國的Build-a-Cell等項目在合成細胞各功能模塊的研發(fā)均取得進展,然而,如何將各功能模塊整合為完整細胞,仍是全球尚未突破的重要瓶頸。在亞洲,盡管中國、日本、韓國及新加坡等國在合成細胞研究方面各具優(yōu)勢,但長期缺乏有效協(xié)同,未能形成合力。
在攻關(guān)這一瓶頸問題時,定量合成生物學(xué)提供了重要的理論指導(dǎo)。簡單來說,它把生命科學(xué)從“大致差不多”的定性描述,升級為像物理和化學(xué)那樣“能算、能量、能預(yù)測”的定量科學(xué)。它不僅能調(diào)控細胞內(nèi)的基因表達與蛋白質(zhì)合成等,還能用數(shù)學(xué)模型推演這些過程如何共同決定細胞的行為。正是依托這一理論支撐,該技術(shù)路線圖系統(tǒng)規(guī)劃了從零散功能模塊到合成細胞的理性構(gòu)建路徑。
為匯聚亞洲優(yōu)勢力量開展協(xié)同攻關(guān),2023年劉陳立研究員倡議并牽頭,聯(lián)合亞洲六國科學(xué)家正式成立“亞洲合成細胞聯(lián)盟”(SynCell Asia Initiative)。聯(lián)盟成員在凝聚共識、明晰路徑的背景下首次繪制出該技術(shù)路線圖。“具體而言,我們在技術(shù)路線圖中提出了構(gòu)建合成細胞所面臨的四大核心挑戰(zhàn),分別是代謝連續(xù)性、核糖體自主再生、模塊設(shè)計規(guī)則缺失,以及時空協(xié)調(diào)機制復(fù)雜?!?文章第一作者戴卓君介紹。
為應(yīng)對這些挑戰(zhàn),技術(shù)路線圖提出了一種以跨境協(xié)作、基礎(chǔ)設(shè)施共享與開放標(biāo)準(zhǔn)為特征的新型研究范式,構(gòu)建起以人工智能驅(qū)動的生物鑄造廠為核心、采用“中央工廠+分布式工作站”跨國協(xié)作模式的研究架構(gòu)。該架構(gòu)包含統(tǒng)一制備標(biāo)準(zhǔn)化底盤與試劑,形成閉環(huán)的“設(shè)計-合成-測試-學(xué)習(xí)”(DBTL)循環(huán),并依托“單合成細胞組學(xué)”為機器學(xué)習(xí)提供高維數(shù)據(jù)支撐。在理論方法層面,技術(shù)路線圖主張融合基于機制理解的“白箱模型”與數(shù)據(jù)驅(qū)動的“黑箱模型”,以系統(tǒng)揭示合成細胞的設(shè)計約束。針對模塊間互作的不可預(yù)測性,提出通過對跨尺度涌現(xiàn)功能進行高通量人工選擇,為構(gòu)建復(fù)雜細胞開辟了全新的方法論路徑。
基于以上思路,技術(shù)路線圖進一步提出跨度為十年的“原始細胞(ProtoCell)到自主細胞(AutoCell)”兩階段推進路徑,第一階段的目標(biāo)是構(gòu)建“原始細胞”(ProtoCell),確立穩(wěn)定的磷脂囊泡結(jié)構(gòu)、含至少200個基因的最小基因組、≥90%的蛋白質(zhì)由無細胞轉(zhuǎn)錄翻譯系統(tǒng)表達,并具備關(guān)鍵代謝物的內(nèi)源合成能力,并構(gòu)建其“數(shù)字孿生”模型,探索力學(xué)信號與生化信號如何協(xié)同調(diào)控細胞分裂;第二階段邁向“自主細胞”(AutoCell),核心是實現(xiàn)內(nèi)源性、基因組編碼的核糖體再生系統(tǒng),使合成細胞擺脫外源表達依賴,具備真正的自我復(fù)制能力。自主細胞需完成10次以上連續(xù)、協(xié)調(diào)的生長-分裂周期,并具備在環(huán)境選擇壓力下的演化能力及群體行為的涌現(xiàn)。
集合力量 構(gòu)建國際合作網(wǎng)絡(luò)
2023年,依托中國科學(xué)院建制化優(yōu)勢,劉陳立團隊聚焦“人工合成單細胞生命”這一重大科學(xué)問題展開有組織攻堅。團隊注意到,亞洲各國在合成細胞研究領(lǐng)域展現(xiàn)出高度互補的技術(shù)優(yōu)勢。其中,中國建立了大規(guī)模生物鑄造廠和合成生物學(xué)定量建??蚣?;日本在重構(gòu)中心法則系統(tǒng)方面處于國際領(lǐng)先地位,開發(fā)了PURE系統(tǒng)及核糖體組裝技術(shù);韓國與新加坡則在AI驅(qū)動的代謝原型構(gòu)建和自動化DNA合成方面具有突出優(yōu)勢。然而,區(qū)域內(nèi)相關(guān)力量長期缺乏有效、系統(tǒng)的整合與協(xié)同。
基于此,聯(lián)盟于2024年4月在深圳舉辦首屆合成細胞亞洲研討會(SynCell Asia Workshop)并簽署合作備忘錄,標(biāo)志著亞洲合成細胞研究合作網(wǎng)絡(luò)的正式建立。2025年,亞洲合成細胞研討會再次于深圳召開,聯(lián)盟成員圍繞模塊構(gòu)建、整合與標(biāo)準(zhǔn)化接口等關(guān)鍵議題達成多項實質(zhì)性共識,推動技術(shù)路線圖向具體實施方案加速落地。
在聯(lián)盟基礎(chǔ)上,亞洲力量積極協(xié)同合作。2024年10月,深圳先進院牽頭主辦首屆“全球合成細胞峰會”(SynCell Global Summit),實現(xiàn)亞洲(SynCell Asia Initiative)、歐洲(SynCell EU)、北美(Build-A-Cell)合成細胞三大區(qū)域力量首次歷史性對話,中國科學(xué)院合成細胞國際科學(xué)計劃同期啟動。2026年,聯(lián)盟以更加成熟的姿態(tài)參與在荷蘭代爾夫特舉行的第二屆全球峰會。從深圳出發(fā)到全球?qū)υ?,亞洲力量以更加成熟的姿態(tài)參與全球合成細胞研究的推動及協(xié)同。
深圳先進院劉陳立研究員為本文唯一通訊作者,戴卓君研究員為第一作者。本工作獲得了國家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項目、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、中國科學(xué)院國際科學(xué)計劃等支持。

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亞洲六國協(xié)作提出“中央工廠+分布式工作站”模式,破解合成細胞難題
來源:陳磊
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