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在自然界中，多细胞生物的干细胞能够通过不对称分裂，产生具有不同表型的子代细胞，最终形成功能各异的组织器官。这种精密的细胞分化机制一直是合成生物学家梦寐以求的仿生目标。尽管科学家们已经开发出多种遗传工具来创造多样化的细胞群体，但如何从一个单一祖细胞出发，精确控制多种细胞类型在群体中的比例，始终是领域内的一大技术瓶颈。
2026年3月18日，《Nature》杂志在线发表了题为《Synthetic circuits for cell ratio control》的研究论文。该研究由中国科学院深圳先进技术研究院钟超研究员、哈佛医学院George M. Church教授和Tzu-ChiehTang共同通讯，首次报道了一套基于重组酶的细胞命运分支装置，可实现对细胞群体比例的数字化精准调控。
研究团队首先设计了一个基于Bxb1重组酶的核心分支装置，通过在基因组中插入attB-attP-attB位点结构，并分别连接Venus绿色和mScarlet红色荧光蛋白。诱导重组酶表达后，单个细胞会随机选择切除左侧或右侧DNA片段，从而稳定表达其中一种荧光蛋白。该机制在大肠杆菌、酿酒酵母和HEK293FT细胞中均表现出稳健的分化能力。
为深入解析分化比例的调控机制，研究团队系统探索了多个影响因素。通过更换左右臂的启动子组合，发现强启动子pTDH3会因转录机器的空间位阻降低重组效率，导致分化偏向另一臂。调整DNA序列长度时，左右臂长度比从1:1变为10:1可使红色细胞比例从62%升至96%，显示物理距离对重组效率的显著影响。
研究人员进一步利用突变型attP位点调节重组酶亲和力，构建了六种不同构型，成功将绿色细胞比例在13.4%至68.3%之间精细调控。将这些因素整合后，团队建立了包含五个微分方程的白箱模型，可准确预测不同设计参数下的分化比例，预测值与实验结果的R²高达0.887。
在并行电路设计中，研究团队将两个正交分支装置整合入同一酵母基因组，利用不同中央二核苷酸的att位点实现互不干扰的独立重组。根据乘法规则，两个装置可产生四种细胞状态，其比例可由各装置分化概率相乘精确计算，实验观测与理论预测高度吻合。扩展至三个装置时，成功获得八种荧光表型的细胞群体。
为获得极端低比例的细胞亚群，团队设计了基于LacI抑制子的分支装置。单个装置可产生约8-9%的红色荧光细胞，集成两个正交装置后红色细胞比例降至1%，三个装置联用进一步压低至0.1%。这种指数级调控策略为需要极罕见启动事件的应用场景提供了解决方案。
团队还构建了级联式时序分化电路。第一层由β-雌二醇诱导的Bxb1将细胞分为蓝色荧光细胞群和含TP901重组酶盒的未分化细胞群；第二层经aTc诱导后，后者进一步分化为绿色和红色细胞。最终绿色和红色细胞的比例可由两层分化概率相乘准确计算。三层级联系统进一步验证了该设计原则的通用性。
在功能验证层面，研究团队将该系统应用于色素生产。单个分支装置调控Z3EV和PhIF-VP16转录因子，分别驱动紫色 violacein和橙色β-胡萝卜素的生物合成途径。通过调节分支装置参数，可连续获得从纯紫到纯橙的系列颜色梯度，构建了包含25种不同分化比例的合成电路文库。在纤维素降解应用中，两级时序电路驱动酵母分化为分泌EG2、CBH2和BGL1三种纤维素酶的子细胞群体，优化比例后其葡萄糖产量与三酶共表达相当，但避免了生长负担。
为探索形态发生编程，团队将细胞黏附分子作为分支装置的输出。四种筛选出的黏附对（Nb3-Ag3、Nb1-Ag1、SpyTag-SpyCatcher和dockerin-cohesin）均能诱导细胞聚集。通过调控Nb3与Ag3细胞比例，发现1:1配比可形成最大尺寸的聚集体。在雪花酵母中引入Ag3和Nb3表达，可使异型细胞接触频率从6.6%提升至19.5%。在哺乳动物CHO-K1细胞中，结合synNotch信号系统，单个祖细胞经诱导可自发形成sender和receiver两种细胞类型，通过膜结合EGF与LaG17受体特异性识别，触发cadherin-1表达和mCherry荧光，最终在96小时内形成空间有序的多细胞聚集体。
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