劉陳立領(lǐng)銜！六國學(xué)者聯(lián)合發(fā)布亞洲合成細(xì)胞技術(shù)路線圖

在合成生物學(xué)領(lǐng)域，如何利用磷脂、蛋白質(zhì)、DNA 等生物大分子“自下而上”地從零人工構(gòu)建單細(xì)胞生命，是一個困擾科學(xué)家數(shù)十年的問題，也被視為人類是否掌握生命底層設(shè)計(jì)法則的重要檢驗(yàn)。該方向的研究不僅關(guān)系著我們對生命的認(rèn)識，更可能在生物制造、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域推動可編程、可定制功能細(xì)胞的發(fā)展。

要解決這個問題，難點(diǎn)不是代謝通路、基因表達(dá)系統(tǒng)、膜結(jié)構(gòu)等單一問題，而是全球面臨的系統(tǒng)級瓶頸：如何讓這些功能模塊在時間和空間的演進(jìn)中精確配合，從而能夠像真正的生命一樣運(yùn)轉(zhuǎn)起來。

近日，由中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院劉陳立研究員牽頭的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在 Nature Biotechnology 上發(fā)表題為“A framework for building a synthetic cell from the SynCell Asia initiative”的論文。

這項(xiàng)研究相當(dāng)于給亞洲合成細(xì)胞領(lǐng)域未來十年的路線“定調(diào)”。這意味著亞洲在全球合成生命的賽道上有了自己的打法和節(jié)奏，往后在人工造出單細(xì)胞生命這件事上，亞洲的聲音和分量有望越來越重。

聯(lián)合團(tuán)隊(duì)來自亞洲合成細(xì)胞聯(lián)盟（SynCell Asia Initiative），由中國、日本、韓國、新加坡、馬來西亞、泰國亞洲六國 100 多個實(shí)驗(yàn)室組成。中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院劉陳立研究員擔(dān)任論文唯一通訊作者，戴卓君研究員是第一作者，亞洲細(xì)胞聯(lián)盟全體代表成員共同參與論文撰寫。

圖丨相關(guān)論文（來源：Nature Biotechnology）

亞洲合成細(xì)胞，開始“組隊(duì)升級”

過去幾十年間，全球合成細(xì)胞研究格局逐步形成。歐洲的 MaxSynBio、BaSyC、EVOLF，美國的 Build-a-Cell 等項(xiàng)目通過實(shí)驗(yàn)室攻關(guān)及跨機(jī)構(gòu)協(xié)作在各功能模塊的研發(fā)上取得進(jìn)展。

亞洲的優(yōu)勢明顯：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?；日本開發(fā)了 PURE 系統(tǒng)及核糖體組裝技術(shù)，在重構(gòu)中心法則系統(tǒng)方面處于國際領(lǐng)先地位；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 合成方面具有顯著優(yōu)勢。但一個問題也日益凸顯：由于長期缺乏有效協(xié)同，亞洲的區(qū)域優(yōu)勢未能“擰成一股繩”。

2023 年，劉陳立研究員倡議并牽頭，聯(lián)合六國科學(xué)家正式成立亞洲合成細(xì)胞聯(lián)盟，希望通過合作解決領(lǐng)域內(nèi)存在的長期問題。在隨后多次舉辦的 SynCell Asia Workshops 中，聯(lián)盟成員圍繞合成細(xì)胞的核心科學(xué)問題展開深入討論與思想碰撞，不斷凝聚共識、明晰路徑，逐步形成了具有亞洲視角與區(qū)域特色的科學(xué)主張與行動綱領(lǐng)，并繪制出該技術(shù)路線圖。

四大瓶頸，一個解法

在這次研究中展示的技術(shù)路線圖中，首次系統(tǒng)提出了構(gòu)建合成細(xì)胞所面臨的四大核心挑戰(zhàn)：

第一個挑戰(zhàn)是代謝連續(xù)性。當(dāng)前的無細(xì)胞系統(tǒng)的關(guān)鍵底物都是在實(shí)驗(yàn)開始前預(yù)先添加的，例如腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）、核苷酸（nucleotide）。因此它們可能很快被耗盡或降解，無法實(shí)現(xiàn)能量的持續(xù)再生和代謝循環(huán)，從根本上限制了合成細(xì)胞的長期自主運(yùn)行。

第二個挑戰(zhàn)是核糖體自主再生。核糖體是蛋白質(zhì)合成的工廠，但在活細(xì)胞中它的組裝需要大量分子伴侶、RNA 修飾酶和空間區(qū)室的配合，這些輔助因子恰恰是人工系統(tǒng)中缺少的。因此，人工制備的核糖體往往存在結(jié)構(gòu)缺陷，且難以持續(xù)更新，因此無法形成可循環(huán)利用的體系。

第三個挑戰(zhàn)是模塊設(shè)計(jì)規(guī)則缺失。一方面，截至目前科學(xué)家對膜擴(kuò)張和分裂過程中的設(shè)計(jì)規(guī)則尚不明晰；另一方面，細(xì)胞分裂也面臨類似的困境，例如如何協(xié)調(diào)曲率生成、膜重塑與隔膜閉合，目前還沒有一套可操作的工程方案，這會導(dǎo)致模塊間難以實(shí)現(xiàn)功能耦合。

第四個挑戰(zhàn)是時空協(xié)調(diào)機(jī)制復(fù)雜。DNA 復(fù)制、染色體分離和細(xì)胞分裂等關(guān)鍵過程必須在合成環(huán)境中同步進(jìn)行，而目前的系統(tǒng)還無法實(shí)現(xiàn)基本的時序控制，經(jīng)常會出現(xiàn) DNA 異常復(fù)制、分裂失敗等問題。

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)建以 AI 驅(qū)動的生物鑄造廠為核心、采用“中央工廠+分布式工作站”的跨國協(xié)作模式的研究架構(gòu)。

（來源：中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院）

該架構(gòu)統(tǒng)一制備標(biāo)準(zhǔn)化底盤與試劑，形成閉環(huán)的“設(shè)計(jì)-合成-測試-學(xué)習(xí)”（DBTL，Design-Build-Test-Learn）循環(huán)，并依托單合成細(xì)胞組學(xué)為機(jī)器學(xué)習(xí)提供高維數(shù)據(jù)支撐。

在理論方法層面，根據(jù)技術(shù)路線圖描述，提出系統(tǒng)揭示合成細(xì)胞的設(shè)計(jì)約束，將基于機(jī)制理解的“白箱”模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動的“黑箱”模型并行發(fā)展。為解決模塊間互作的不可預(yù)測性問題，技術(shù)路線圖為構(gòu)建復(fù)雜細(xì)胞開辟了一條全新的方法論路徑，提出通過對跨尺度涌現(xiàn)功能進(jìn)行高通量人工選擇。

十年計(jì)劃：讓人工細(xì)胞“活起來”

基于以上思路，這項(xiàng)研究還進(jìn)一步提出了跨度為 10 年的兩階段目標(biāo)。

第一階段的目標(biāo)是構(gòu)建“原始細(xì)胞”（ProtoCell）。這是一個類似最小原核生物的構(gòu)造，確立穩(wěn)定的磷脂囊泡結(jié)構(gòu)、含不少于 200 個基因的最小基因組、90% 及以上的蛋白質(zhì)由無細(xì)胞轉(zhuǎn)錄翻譯系統(tǒng)表達(dá)，并具備關(guān)鍵代謝物的內(nèi)源合成能力。與此同時，構(gòu)建其數(shù)字孿生模型，探索力學(xué)信號與生化信號協(xié)同調(diào)控細(xì)胞分裂的可能性。

第二階段是將原型細(xì)胞升級為“自主細(xì)胞”（AutoCell），讓它真正具備持續(xù)自我維持、自主復(fù)制、定向進(jìn)化和多細(xì)胞集體行為的能力。自主細(xì)胞需完成 10 次以上連續(xù)、協(xié)調(diào)的生長-分裂周期，細(xì)胞群體大小分布的變異系數(shù)低于 15%，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)。

（來源：Nature Biotechnology）

亞洲方案，正在進(jìn)入全球中心

該技術(shù)路線圖根植于亞洲各國在技術(shù)能力上的高度互補(bǔ)性，確立了以跨境協(xié)作、共享基礎(chǔ)設(shè)施和開放標(biāo)準(zhǔn)為核心的新型研究范式。技術(shù)路線圖提出的從原始細(xì)胞到自主細(xì)胞的兩階段戰(zhàn)略，及以中心化 AI 驅(qū)動生物鑄造廠為樞紐的系統(tǒng)集成方案在全球范圍內(nèi)尚無先例，直接回應(yīng)了模塊間無法耦合的痛點(diǎn)，體現(xiàn)了亞洲在科研協(xié)作模式上的原創(chuàng)探索。

研究團(tuán)隊(duì)指出，構(gòu)建合成細(xì)胞并非依靠某個學(xué)科的力量“單打獨(dú)斗”，而是需要多學(xué)科的持續(xù)融合與發(fā)展，包括理論物理、計(jì)算機(jī)科學(xué)、工程學(xué)、倫理學(xué)和社會科學(xué)等。這一研究范式的發(fā)展，不僅有利于推動合成細(xì)胞研究從局部探索轉(zhuǎn)變?yōu)閰f(xié)同構(gòu)建，還可促進(jìn)定量生物學(xué)、AI 與生物制造等多領(lǐng)域交叉發(fā)展，為基礎(chǔ)生命科學(xué)原理與生物技術(shù)的發(fā)展開辟全新路徑。

亞洲合成細(xì)胞聯(lián)盟成立后，不僅在學(xué)術(shù)研究方面深入研究，也在積極推動國際方面的合作。2024 年 4 月，在深圳成功舉辦首屆合成細(xì)胞亞洲研討會并簽署合作備忘錄。同年，發(fā)起并主辦首屆全球合成細(xì)胞峰會（SynCell Global Summit），首次實(shí)現(xiàn)了亞洲、歐洲、北美三大合成細(xì)胞研究機(jī)構(gòu)的歷史性同臺，中國科學(xué)院合成細(xì)胞國際科學(xué)計(jì)劃也在同期啟動。

2025 年，SynCell Asia Workshop 再次在深圳召開，聯(lián)盟成員圍繞多個模塊構(gòu)建、整合與標(biāo)準(zhǔn)化接口等關(guān)鍵議題達(dá)成多項(xiàng)實(shí)質(zhì)性共識，推動技術(shù)路線圖向具體實(shí)施方案加速落地。2026 年，聯(lián)盟參與了在荷蘭代爾夫特舉行的第二屆全球合成細(xì)胞峰會，這也是亞洲從參與者轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則共同制定者與全球協(xié)同的關(guān)鍵轉(zhuǎn)變。

2026 年 SynCell Asia Workshop 與 2027 年第三屆全球合成細(xì)胞峰會將分別在日本和美國召開。從深圳發(fā)起，到全球協(xié)作網(wǎng)絡(luò)開始加速形成，合成細(xì)胞國際合作已走上快車道，亞洲力量也正在全球合成細(xì)胞研究的歷史進(jìn)程中逐步走向中心位置。

或許，人類距離從“零”造出一個細(xì)胞，又近了一步。

參考資料：

https://www.nature.com/articles/s41587-026-03153-w

運(yùn)營/排版：何晨龍

注：封面/首圖由 AI 輔助生成