導語
這項工作是合成生物學領域的及時雨，為合成生物學從單細胞向複雜生物群落和組織器官的跨越提供了有力工具。
孟凡康| 作者
在多細胞生物中，接觸式細胞通訊、短途（自分泌）、中途（旁分泌）和長途（內分泌）範圍的細胞間信號通訊是控制多細胞系統功能分工、時空發育，免疫應答以及維持生理穩態的關鍵。類似於協調計算機中大量計算單元的電子線路，細胞間通訊—這條化學線路指導了多細胞系統中不同細胞之間的協作過程。
在合成生物學領域，我們已經開發了多種合成人工通訊系統，如synthetic quorum sensing, scalable peptide-GPCR signalling、synthetic morphogen system等等。然而，現有優質的細胞間通訊工具仍然有限，主要有兩個方面限制了這類工具的實用性：
通用性：理想的細胞-細胞通訊系統應該以模塊化的方式工作，同時需要滿足跨生物界（細菌、真菌、動物等）通訊的場景，能夠兼容或者遷移到多種細胞類型。然而，現有的系統要麼需要人工添加外源性前體用於合成信號分子，要麼無法從一個物種轉移到另一個物種上，在不同生物底盤中的兼容性很差。
正交性：理想的細胞-細胞通訊系統依靠一系列絕緣性良好的通道來進行正確的信號傳遞。在電子產品中，不同通道的絕緣可以通過空間隔離來實現的，而在生物系統中，最可行的實現絕緣的方法是通過「化學正交 chemical orthogonality」。但是現有的細胞間通訊工具正交性交叉，在同一個細胞或者群體中使用時會相互產生干擾。
為了解決上面提到的問題，來自中國科學院、北京大學以及藍晶微生物的研究團隊基於群體感應系統（Quorum Sensing）從頭設計了一整套具有通用性高、正交性強、可以跨生物界通訊的合成生物學工具箱，相關文章發表在Nature Communications上。
通過對元件挖掘、理性設計以及定向進化，這項工作一共開發了10套全新或優化過的細胞通訊工具，其綜合性能遠超傳統的群體感應信號系統。這套工具將極大地擴展合成生物學在多細胞生物工程中的能力，為在細胞進行大規模生物計算提供了堅實的基礎，也為包括人工生態系統和智能組織在內的複雜多細胞工程鋪平了道路
論文題目：
De novo design of an intercellular signaling toolbox for multi-channel cell-cell communication and biological computation
論文地址：
1.解決通用性：從通用的細胞代謝物出發
為了設計超越現有水平的細胞通訊工具，關鍵的一個環節在於通用性。畢竟我們總可以在同一種生物底盤中不斷優化，將一套通訊工具調諧到較高的性能，但是這仍然無法滿足未來在異質多細胞系統應用的需求。
為了解決細胞間通訊系統的通用性問題，研究人員提出了新的開發策略：選擇「保守的細胞代謝物」作為信號分子的前體分子，同時為前體分子設計出小型的信號分子生物合成途徑。這樣一來，即使生物合成途徑導入到差別較大的生物底盤之中，也可以利用同樣的前體分子合成最終的信號分子，極大的擴展在不同細胞系統之間的通用性。
研究人員在Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) 數據庫和文獻中對次級代謝物數據和對應的轉錄調控因子按照以下標準進行了篩選：
(i) 信號分子可以生物合成，能夠自由地跨細胞膜擴散；
(ii) 信號分子應能被特異性較強的轉錄因子感知；
(iii) 信號分子的前體必須是原核細胞和真核細胞中通用的細胞內代謝物；
(iv) 合成此信號分子的生物途徑包含的酶總數最少。
從通用的細胞代謝物出發篩選有潛力的細胞間通訊系統
研究人員最終篩選出了10個候選的細胞間信號通訊系統，來自於多種物種，包括Pseudomonas, Rhodobacter, Streptomyces, Photorhabdus, Bradyrhizobium, Yersinia以及高等植物。在後續的測試中，10個候選系統中的6個系統達到了較為理想的信號響應效果。
同時研究人員還在工具箱中添加的四個經典的QS通訊系統。所以這項工作中一共獲得了10套包括6個全新設計以及4個優化過的的細胞通訊系統。後續研究人員通過啟動子理性設計、轉錄因子定向進化等策略對相關元件進行了優化，使得這10套系統均達到了較高的性能水平。
6個從頭設計的細胞間通訊系統
文章第一作者，中科院微生物所副研究員杜沛博士在回答“理性設計、定向進化、元件挖掘是如何在這篇工作中協作的？”提問時說道：“這三者在總體設計中都有不同程度的體現。元件挖掘、元件刻畫的結果是理性設計的前提。根據初步刻畫的結果，我們有針對性的對一些群體感應系統的啟動子進行了理性設計，替換了天然的啟動子，使其具有更好的性能參數（動態區間、本底、靈敏度等等）。有些系統原本沒有天然的啟動子，所以我們一開始就通過理性設計，設計了好幾個版本的合成啟動子，然後根據測試結果取參數最優的設計，如文章中的IV、pC系統。理性設計的還有合成信號分子的系統：我們從不同物種中挖掘酶，然後人工搭建了大部分信號分子的合成途徑。我們必須確保能在不外加任何基礎培養基之外營養物質的情況下，在大腸桿菌中產出足夠的小分子。這一體系需要很多調試，也是導致細胞通訊系統設計失敗最大的因素。定向進化是一個相對晚一些採用的策略，目的是為了改善部分構建完成的通訊系統的性能，比如提高信號接收系統的靈敏度。”
2.通用性設計打破了不同生物界之間交流的障礙
為了實現跨物種和跨生物界的通信，信號發送模塊和接收模塊需要有能力在各種細胞模型中發揮作用。「通用的代謝分子」設計策略為打破不同生物界之間交流的障礙提供了最必要的保障。
通過利用物種特異性啟動子替換大腸桿菌啟動子，研究人員建立了跨生物界的細胞通信系統，包括(i)從大腸桿菌到酵母的DAPG-PhlF通道，(ii)從酵母到大腸桿菌的Sal-NahR通道，以及(iii)從HEK-293T人細胞繫到大腸桿菌的pC-RpaR通道。所有的通訊系統都成功地激活。這充分展示了這些通訊工具的通用性及其跨生物界交流的能力。
通訊工具具有跨生物界交流的能力
杜沛在接受採訪時提到：“通用性的意義在於最大化細胞通訊系統的適用場景，使我們的工作更加有用。我們設計的系統是在大腸桿菌中刻畫的，但我們的目的絕不是單單為了在大腸桿菌中使用，那樣細胞通訊的意義和使用場景就大打折扣了。例如，比如對發酵進行自動控制，需要考慮的目標宿主往往是細菌、放線菌、鏈黴菌等原核生物，也可能是酵母這種真核單細胞生物；對多細胞行為進行建模或者人為控制等研究，也不可能局限於大腸桿菌。由於我們成功的在哺乳動物細胞中完成了細胞通訊的遷移，打開了更多的可能性。比如基於哺乳動物細胞之間的通訊，可以研究細胞分化、組織發育等，乃至未來人造器官的建造等。這些最終都離不開通用性的細胞間通訊工具。當然，在將某個系統轉移到一個新的物種中的時候，需要很多調試和修改，但其信號分子是不變的，基本的信號分子合成途徑和感應原理也是不變的。”
3.解決正交性：利用生物合成分子與轉錄因子的多樣性
當多個通訊通道集成在同一基因線路中時，可能會在「信號感應」和「啟動子響應」兩個層面發生干擾。傳統上，它們分別被定義為「信號交叉干擾」和「啟動子交叉干擾」。
文章共同第一作者，中科院微生物所助理研究員趙會偉在接受採訪時說：“生物元器件的模塊化與正交化是合成生物學，特別是在設計複雜基因線路過程的基礎科學問題。模塊化和正交化是元件可預測地組裝的必要條件。在細胞間通訊工具中，正交化可以確保多通道交流不相互干涉。”
在10個開發的通訊工具中，四個經典的的QS通道（C4，3OC6，C8和3OC12，在黃框中突出顯示）表現出較明顯的交叉干擾性，但六個新設計的通道（在紅框中突出顯示）無論是在信號感應層面還是啟動子響應層面有顯著較低的交叉干擾。這種顯著的正交性正是源於這些信號系統高度不同的組成結構——生物合成小分子的化學多樣性和小分子傳感轉錄因子的豐富元件庫帶來了巨大的設計探索空間。
通訊工具在信號感應層面（上）或者啟動子響應（下）層面的交叉干擾
“這種設計的成功強調了一個普遍的原則，”文章在討論部分進一步解釋道，“自然發生的生化機理並沒有探索所有可能的解決方案 —「夠用就行」，雖然自然是“偷懶”的，但是這為合成生物設計留下了幾乎無限的設計空間。”
合成生物學將生物系統的研究拓展到了未曾存在的生命領域
（本圖修改自Nature評述：Build life to understand it）
4.高性能的正交性工具帶來更複雜的細胞設計
目前在細胞中進行複雜生物學計算的工程進展並不順利。這在很大程度上是由於我們對大型基因線路的編程能力非常有限：不僅存在工具缺乏的問題，而且複雜基因線路在細胞中很容易過度佔用細胞資源，並且在進化上並不穩定。
「將不同的生物計算模塊封裝到不同的細胞中，然後將不同的細胞連接起來，採取分而治之的策略」是突破複雜基因線路設計瓶頸的潛力方案。這種策略理論上可以在細胞水平實現穩定性、可編程性以及計算複雜性。這項工作中開發的工具正為這樣的設計理念提供了重要的支撐。
為了演示更複雜的多細胞生物計算功能，研究人員設計了複雜的三輸入XOR-AND邏輯門電路。XOR-AND邏輯門電路分別部署在七個不同的大腸桿菌菌株中，由四個通信通道協調。每個菌株包含一個NOR門(cell-1至cell-6)或一個Buffer門(cell-7)。這是已知第一個同時利用四個通信通道的生物計算線路。
XOR-AND邏輯門電路
趙會偉在接受採訪時說：“通過四套系統共用，我們在大腸桿菌中實現「3 Input-8 Output」的基因線路設計，7個細胞之間的生物計算最終都能輸出正確的信號，這是一個不小的突破。因為細胞沒有理由按照你的想法工作，讓他們在同一時空下協同起來工作，還是有難度的。前6個細胞是NOR gate，每個細胞必須有清晰的ON/OFF，同時小分子的生產強度、擴散的速率和濃度、細胞間接收的速率、響應區間與靈敏度等都需要系統考慮到。
5.好的細胞通訊系統能為合成生物學帶來什麼？
細胞-細胞通信在自然界中無處不在。從工程的角度來看，這些廣泛的自然通信系統提供了大量的合成通信元件儲備，包括信號分子、高度特異性的受體和轉錄調控因子等。這項研究從自然界具有通訊潛力的通用代謝分子挖掘出發，提出了一種細胞間通信通道的從頭設計路線，利用理性設計以及定向進化開發了10套全新或優化過的細胞通訊工具，其綜合性能遠超傳統的群體感應信號系統。
對於這項工作能夠為合成生物學帶來的影響，文章第一作者、北京大學博士、現藍晶微生物聯合創始人兼CEO張浩千在接受採訪時表示：“在整個生物演化過程中，細胞間通訊對於生物從單細胞走向多細胞是至關重要的一環。合成生物學作為旨在“再創”生命的學科，一直都很缺乏用於設計細胞間通訊的元件，既有的元件不僅具有很強的相互干擾，而且數量極為有限，能應用在人類細胞中的更是少之又少。但不論是發酵生產、治療癌症還是人造器官，細胞間通訊都是不可被忽略的工程對象。我認為這項工作是合成生物學領域的及時雨，為合成生物學從單細胞向複雜生物群落和組織器官的跨越提供了有力工具。”
杜沛也補充到：“談到這項工作的意義，具體而言，我們不應該去講任何單一應用場景。合成生物學的終極目標——合成生命，並不是合成單細胞生命。那麼，如何跨越單細胞到多細胞的鴻溝？細胞間的通訊就是無法繞過的能力。雖然距離合成生命還很遠，我們至少是在通往未來的道路上鋪就了一塊地磚。具體到應用場景上，我們開發的這套工具可以支持從單細胞到多細胞研究層次：不論是基礎研究還是應用研究，也不論這種研究現在使用的模式物種是什麼。這套工具的通用性和正交性都是為此做的保障，相輔相成，缺一不可。自動發酵控制、多細胞行為建模、細胞分化，乃至人造器官等都是可以應用到的場景。但作為支持性的元件，未來可能被應用在完全意料之外的場景。”
著名合成生物學研究者Chris Voigt對於未來合成生物學發展的設想：未來我們將從單個細胞轉到系統。
在2030年之後，產品將轉向「系統」，而不是單個細胞或者體系。在這些系統中，經過設計的生物細胞可以作為群體協同工作，或者集成到非生命材料或電子產品之中。在農業方面，工程植物和細菌共生物相互協同，作為一個整體控制基因表達來響應不同的環境條件。未來的漢堡肉餅可以使用細菌、真菌和牲畜細胞群體來生產，它們可以共同建立複雜的結構合成具有獨特營養和風味的分子。建築材料可以嵌入活改造的細胞實現自我修復或清除空氣污染的功能。包含在油漆總工程生物系統可以防止船體生物污染、減少管道腐蝕活着穩固土壤結構。工程活細胞與電子設備耦合產生的機器人可以利用自然環境中的能量，使用生物傳感器進行導航或者實現更好的腦機結合。
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