Nature关注!深圳定量合成生物学领域展现硬核实力

5月6日，国际学术期刊Nature推出“合成生物学”（Synthetic biology）专辑，并刊发专题文章“A Path to High-Precision Biological Design”，关注中国在定量合成生物学领域的研究进展。文章重点聚焦中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称“深圳先进院”）定量合成生物学全国重点实验室（以下简称“实验室”），指出中国科学家正通过数学模型对细胞行为进行定量刻画，为生命系统的理性设计奠定科学基础。

细胞为什么长到一定大小才会分裂？这是生命科学的基本问题之一。研究团队以大肠杆菌为模型，在不同营养条件下系统测量细胞生长行为。过去的主流模型认为，细胞要长到某个固定大小才开始复制DNA。但这一模型难以解释团队观察到的新现象。通过大量实验数据，团队发现细胞尺寸与“生长速率乘以DNA复制到分裂所用的时间”之间存在清晰的线性关系。基于这一发现，团队建立了新的数学模型，并成功实现对细胞分裂尺寸的精准控制——在不改变生长速度的前提下，通过调节基因表达来“设定”细胞什么时候分裂。这项研究为理解细胞如何调控自身尺寸提供了全新的定量框架，也为未来人工设计合成细胞提供了重要的方法学基础。

定量合成生物学全国重点实验室的研究人员正在量化细胞行为，为合成生命系统的设计提供依据

如果把不同细菌放在同一个培养皿里，它们会怎么竞争、怎么分布？研究团队通过长期演化实验和定量分析，发现了一些反直觉的规律。在一个圆形培养皿上，细菌的“战场”并不均匀。团队发现，在中间拥挤的区域，跑得慢的细菌反而更有优势；而在边缘开阔地带，跑得快的细菌才能占上风。换句话说，空间位置决定了哪种策略更“划算”。基于这一现象，团队提出了一个数学公式，清晰描述了栖息地大小、细菌生长速度和迁移能力三者之间的定量关系。这个公式可以精确预测和调控细菌群体的空间分布，为设计微生物群落的有序结构提供了重要的理论工具。

用细菌治疗肿瘤的探索已有逾百年历史，虽已开发出多种候选菌株，但实现临床转化的仍较为有限。其关键挑战在于疗效与生物安全性的协同控制，即在增强其肿瘤杀伤能力的同时，有效规避对健康组织的感染风险。实验室团队通过工程化改造细菌，使其在肿瘤中选择性存活，在健康组织中则被快速清除。研究进一步发现，肿瘤微环境中存在一个独特的调控机制，涉及一种名为白细胞介素-10（IL-10）的免疫分子。团队通过结合数学模型与定量实验，揭示了细菌如何“借用”这一机制，在肿瘤内部同时实现既激活休眠的抗肿瘤免疫细胞、又抑制肿瘤内抗菌免疫细胞，从而将治疗效果精准地限制在肿瘤区域。这项研究系统阐明了细菌靶向治疗肿瘤的定量合成生物学机制，填补了该领域的重要理论空白，为开发安全、高效的活菌药物奠定了科学基础，并有力推动了相关生物制造和临床试验的进程。

面向“人工合成单细胞生命”这一宏伟目标，实验室正系统解决生命系统标准化研究的瓶颈问题。实验室自主建设的合成生物研究全自动化实验平台，已达到全球领先的自动化及综合通量水平，并于2025年进入由建设转运营关键期。目前平台已建成大规模合成生物元件库与菌株资源库，并构建了全链条研发服务矩阵。

合成生物研究重大科技基础设施配备先进的自动化和高通量平台

在持续完善技术体系的同时，实验室还积极推动国际合作，发起成立了合成细胞国际联盟及合成细胞亚洲联盟，探索建立开放包容的协同研究机制。正如刘陈立所言，实验室团队正致力于从无生命的生物大分子出发，构建具备生命基本属性的人工合成细胞，真正实现生命系统的理性设计,并探索其在生物制造与生物医学等方向的应用潜力。