基因工程的最新进展为人工多样化原核和真核细胞群体提供了多样的工具。然而，实现对来自单个创建者的群体中多种细胞类型的比率的精确控制仍然是一个主要挑战。

2026年3月18日，中国科学院深圳先进技术研究院钟超、美国哈佛大学Wyss Institute的George M. Church教授、Tzu-Chieh Tang共同通讯在Nature在线发表题为“Synthetic circuits for cell ratio control”的研究论文。该研究开发了一套基于重组酶的“细胞分化编程装置”，能够从一个始祖细胞出发，自主生成多种不同功能的子细胞类型，并精确控制它们的比例—从0.1%到99.9%。更重要的是，这些细胞在分化完成后，还能像乐高积木一样，按照预设的“黏附规则”自发组装成肉眼可见的三维结构。

在多细胞生物中，干细胞经历不对称的细胞分裂，产生具有不同表型的后代。通过编制复杂的基因调控网络，真核干细胞分化成形成功能性组织或器官的特化细胞谱系。这种分化过程反映了多细胞真核生物的遗传复杂性，有助于它们的进化成功。微生物中的类似现象包括新月柄杆菌的不对称分裂，这种分裂产生缺乏繁殖能力的活动细胞和能够分裂但不活动的固着细胞。同样，在氮限制条件下，鱼腥藻丝中的中央细胞不对称分裂，产生专门从事固氮或光合作用的后代，并确保群体存活。这些细胞群体完成单一细胞类型无法完成的复杂任务。

通过模仿作为自然选择特征的分化和合作分工，合成生物学开启了细胞功能的重新编程，促进了不同人工细胞状态的出现。一个基本的里程碑是遗传拨动开关，它允许在大肠杆菌中两种不同状态之间的可逆转换。工程化细菌“干细胞”的其他遗传工具包括分割细菌染色体(Par)，诱导不对称细胞分裂和产生具有不同遗传内容的后代。表观遗传工具，包括相分离蛋白和支架蛋白，如PopZ，已经促进了微生物细胞分化的控制。多细胞真核系统也已经被工程化；例如，多基因回路在中国仓鼠卵巢(CHO)细胞中产生多种稳定的表型。

用于细胞分化的遗传装置的设计和验证（图源自Nature ）

尽管遗传电路可能会编程和重写细胞命运，但挑战仍然存在——特别是，随着细胞状态数量的增加，缩放遗传拨动开关和DNA分割系统，并定量控制子代群体中特定细胞类型的比例。大多数人工系统不会自主分化，因此不会从单一的原始细胞类型产生复杂的多细胞系统。这些限制制约了合成社区在生物制造、再生医学和治疗发展方面的潜在应用。

在这里，研究人员介绍了一套重组酶介导的遗传装置，旨在精确控制群体比例，使不同的功能分布在多种细胞类型。该研究系统地评估了影响重组效率的关键参数，并开发了数据驱动模型来可靠地预测二元分化结果。使用这些器件，构建了并联和串联电路拓扑来实现用户定义的多步细胞命运分支程序。分支装置有助于从单一创始酵母菌株中自主分化出精确的发酵菌群，优化细胞类型比例，以用于色素沉着和纤维素降解等应用。用哺乳动物细胞获得了类似的效果。还通过细胞粘附分子协调自组织，设计了具有遗传编码形态的多细胞聚集体。该工作提供了基于重组酶的细胞命运分支机制的综合表征，并介绍了一种构建合成复合体和多细胞组件的方法。

参考消息：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10259-3