Cell | 田晓军团队用“相分离”让基因回路更稳健

在合成生物学中，科学家致力于像编程电子芯片一样设计“基因回路”，以赋予细胞执行特定任务的能力。然而，活细胞并非静态的元件---它们不断生长、分裂，使得回路中的关键分子被持续稀释，从而导致系统失稳、记忆丢失，甚至功能完全丧失。这种由细胞增殖引起的“生长稀释效应”，一直是制约人工基因回路走向实际应用的核心瓶颈。

在细胞内部高度动态的环境中，一种称为“相分离”（Phase Separation）的机制能够将蛋白质与RNA等生物分子聚集形成“无膜液滴”，从而在局部区域浓缩或隔离特定组分，例如转录凝聚体和应激颗粒。受此天然稳态机制的启发，研究团队思考：能否将这种基于相分离的空间组织策略引入合成基因回路，以对抗生长稀释带来的不稳定性？

2025年11月7日， 美国亚利桑那州立大学田晓军教授团队 在Cell上发表了文章Phase Separation to Buffer Growth-Mediated Dilution in Synthetic Circuits。研究人员 决定向细胞自身学习组织策略 ，提出了一种基于相分离的基因回路优化策略。

通过将转录因子与内在无序区域融合，研究人员在细胞内构建了可逆的液滴状凝聚体。这些结构富集在启动子附近，使转录因子在细胞生长稀释背景下仍能维持局部高浓度，形成一道“分子缓冲层”，有效抵抗表达波动，保障回路在动态环境中的稳定运行。实验表明，搭载IDR的回路不仅能逆转快速生长导致的表达衰减，还表现出优异的环境鲁棒性。此外，与David Nielsen课题组的合作实现了香豆酸产量的大幅提升，而与郑文伟课题组共同完成的多组分相分离理论分析，也进一步证实了该策略具备广泛的推广潜力与应用前景。

这项工作不仅揭示了相分离在基因回路设计中的巨大工程潜力，也为在空间尺度实现稳态调控提供了新思路。与传统的负反馈或资源感知调控机制不同，相分离无需引入额外的基因调控网络，而是通过空间组织赋予回路自我保护和主动抗扰的能力。

这一策略使人工基因系统向真实生命行为更近一步——在持续变动的细胞环境中，依然能够维持内部秩序与持久记忆。

“Phase separation offers a n emerging design principle for constructing resilient synthetic circuits under dynamic growth.”

——Tian Lab, Cell 2025

细胞早已掌握了在混乱中保持秩序的能力，而我们终于学会从它那里借用这种 “ 分子组织智慧 ” ， 让人工生命系统更稳、更强、更接近真实生命 。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.10.017

制版人： 十一

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