化學梯度在細胞命運決定與空間組織中發(fā)揮關鍵作用，可擴散分子以濃度依賴方式作用于活細胞，其時空動力學精準調控細胞行為。然而，生物信號網(wǎng)絡的復雜性及定量數(shù)據(jù)的缺乏，使理解非均勻信號場中時空模式的相互作用極具挑戰(zhàn)。受此啟發(fā)，人工細胞樣結構等合成系統(tǒng)為研究非平衡條件下的復雜生物現(xiàn)象提供了契機。近來，在多隔室結構或固定化人工細胞陣列中已觀察到梯度響應行為。但如何系統(tǒng)性調控梯度，以在人工細胞群體中產(chǎn)生新的空間編碼行為，仍缺乏深入研究。這為揭示化學梯度在細胞命運中的作用及開發(fā)新型合成生物系統(tǒng)提供了重要方向。 近日，浙江大學田良飛研究員及其團隊利用十二烷基硫酸鈉（SDS）和磷鎢酸鈉（POM）作為人工形態(tài)發(fā)生素，構建16組不同摩爾比的雙向梯度場。通過超聲操控技術將凝聚體液滴組裝成二維陣列，系統(tǒng)探究梯度場變化對液滴形態(tài)分化及空間組織的影響?；诜只囊旱涡蚊玻M一步構建了3位二進制空間信息編碼系統(tǒng)。 通過在聲場中通過加入聚二烯丙基二甲基氯化銨（PDDA）和三磷酸腺苷（ATP），利用聲輻射力可以形成二維凝聚體液滴陣列。在兩側分別引入不同濃度的SDS和POM溶液，構建對向梯度場后，發(fā)現(xiàn)ATP在凝聚體陣列中可被SDS和POM競爭性置換，導致液滴膜重構。在SDS/POM濃度為1.8/0.45 mM時，均質液滴分化出五種形貌：POM部分置換ATP形成的球形囊泡（PCV）；PCV膨脹坍塌后形成的長條形囊泡（PCB）；SDS完全置換ATP形成的囊泡（SV）；SDS/POM共同置換ATP形成的褶皺囊泡（PSWV）；SDS/POM部分置換ATP形成的雜化膜囊泡（PSCV）。通過調控SDS/POM梯度場濃度發(fā)現(xiàn)，在恒定POM濃度下，增加SDS濃度可促進液滴分化，形成多種液滴形貌，增加空間群體的異質性；反之，恒定SDS濃度下增加POM濃度則導致群體均質化。 基于此，研究人員構建了新型空間編碼系統(tǒng)，將觀測區(qū)域分為左（L-Region）、中（M-Region）、右（R-Region）三個子區(qū)域。區(qū)域內只有單一表型即編碼為“0”，具有混合表型即編碼為“1”。16組實驗共產(chǎn)生8種3位二進制編碼（000至111）。值得注意的是，不同梯度輸入可生成相同編碼（如“101”編碼出現(xiàn)頻率最高，對應了5組輸入配比；“000”編碼對應了4組輸入配比等），顯示多輸入-單輸出特性。固定濃度比下提高POM濃度可增強編碼可重復性，而SDS濃度變化與編碼類型無直接關聯(lián)。
圖1：基于凝聚體分化陣列的3位二進制空間編碼系統(tǒng) 該系統(tǒng)將人工細胞群體的空間分布轉化為并行信息載體，通過子區(qū)域表型直接輸出3位二進制編碼，實現(xiàn)多比特信息轉換。這不僅加深了對梯度依賴群體行為的理解，也為動態(tài)空間編碼提供了新方法，推動了生物計算中空間信息編碼的發(fā)展。未來可通過優(yōu)化梯度參數(shù)，進一步提升編碼復雜度和可靠性，為發(fā)展新型生物計算空間編碼系統(tǒng)提供理論支持。 論文信息 Spatially Coded Transformations in Gradient-Dependent Protocell Morphogenesis Shuqi Wu, Wei Ji, Mei Li, Stephen Mann, Liangfei Tian 本篇工作通訊作者為浙江大學的田良飛研究員。浙江大學博士生吳舒淇為該論文的第一作者。本研究得到了國家自然科學基金（32171302），浙江省重點研發(fā)計劃（2022C03071），浙江大學百人計劃，之江實驗室開放研究項目（2022RD0AB01），中央高校基本科研業(yè)務費（226-2024-00059）和ICGEB研究資助（CRP/CHN21-04_EC）資金支持。 ChemSystemsChem DOI: 10.1002/syst.202400064
