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深圳先进院研究定量合成生物学探索细胞命运决定新机制
该研究为命运决定调控机制研究提供了新视角，也为通过合成生物方法定量控制细胞命运用于医学和工业用途提供了新思路。
细胞分化使得基因型相同的细胞产生在形态、结构和生理功能上差异的细胞。对于细胞分化过程的发生，经典表述认为细胞的基因功能以及它们形成的复杂调控网络在时空上控制了基因的表达量，从而编程了细胞命运决定（fate determination）的过程。尽管，我们可以解析绝大部分基因的功能，测量基因表达的时空动力学，并绘制出基因调控网络的草图；但是，在细胞命运决定过程中，我们仍然无法理解基因差异表达的源头是什么，也无法精确预测命运决定过程的走向。
北京时间3月24日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所傅雄飞团队在Nature Chemical Biology上发表题为“Unbalanced response to growth variations reshapes the cell fate decision landscape”的研究成果。该研究运用造物致知的研究范式，通过定量实验和数理模型，深入探索细胞生长速率对经典人工合成基因线路——互抑制回路1——的双稳态性的影响，发现了不同基因的表达量对生长速率呈现不平衡、不同步的响应，进而重塑细胞命运决定景观（Landscape）。该研究提出：生长速率可以在全局上调控基因表达网络中每个基因的表达水平从而改变细胞命运，并不一定依赖特定调控因子。该研究为命运决定调控机制研究提供了新视角，也为通过合成生物方法定量控制细胞命运用于医学和工业用途提供了新思路。
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科学家们通过生物化学和分子生物学手段，研究基因的功能和调控关系、以及信号的传导机制，绘制出了细胞命运决定网络的草图；合成重构了功能基因网络，例如：双稳态开关1、生物振荡2、斑图形成3，让人类在造物之路上迈出了跨越式的脚步。然而，抛开该网络中基因的细节，我们仍然无法理解在细胞命运决定网络中，信息是如何传递的；也无法完美预测该网络运行的状态，进而推断出细胞命运的走向。如果我们跳出网络的细节，从全局的范围来看整个网络，是否存在特别的因素能够重塑细胞命运决定景观（Landscape），甚至涌现出新的功能呢？
细胞生长速率依赖的表型双稳态性
为了研究细胞的生长速率对基因网络是否可以存在影响，科研团队利用了经典合成基因线路——拨动开关线路（the toggle switch1）,来研究这种可能性。拨动开关线路由两个相互阻遏的基因所构成，使得该线路在稳态（stable states）下只能存在一种基因处于高表达状态。这样的网络拓扑结构也广泛存在于自然界中，例如：λ噬菌体溶菌-溶原决定，线虫左右味觉神经分化。另外，构成这一线路的元件已经被广泛定量表征，与宿主自生基因调控网络相正交，因此可以排除宿主自身状态对基因线路的直接调控，同时也利于定量分析网络的稳态行为。
科研团队偶然发现，在SOB培养基中，细胞的初始状态无论是红色状态还是绿色状态，细胞在经历一步生长的过程，平台期的细胞都会处于红色状态（图1）。故此推测，可能存在某种全局性的生理变化影响了细胞命运决定决策。
受到细菌生理学研究工作4–6的启发，科研团队在不同的细胞生理稳定状态（physiology steady state）下，观察了拨动开关线路的稳态特征以及双稳态性。实验结果表明，基因线路的双稳态性与细胞的生长速率存在关联关系（图2）。当细胞生长速率大于0.5 h-1 时，拨动开关存在双稳态性，当细胞生长速率低于这一临界生长速率时，拨动开关的双稳态性出现了分岔（bifurcation），也就说，细胞在慢速生长状态下，只能维持红色稳态，线路的双稳态性消失了。进一步而言，似乎可以存在这样的可能性：生长速率的变化可以引起命运决定网络稳态特性，并左右细胞的命运走向。
基因表达对生长速率变化的响应的不平衡性
为了进一步揭示细胞生理状态变化是如何主导细胞的命运决定过程，科研团队定量表征了不同生长状态下拨动开关中两个阻遏蛋白的表达水平。首先，科研团队发现，两个基因的表达水平会随着细胞生长速率放缓呈现出上升趋势，同时，上升的速率大于细胞生长放缓带来的稀释速率降低的影响；据此，科研团队推断两个基因的翻译速率也随细胞生长速率发生了变化。科研团队利用荧光蛋白定量表征、转录组学数据，发现两者的表达水平尽管在总体趋势上都是呈现出与细胞生长速率负相关的关系，但表达速率的最大峰值以及相对变化值是不尽相同的（图3 a）。利用数理模型，科研团队评估了这种非平衡的生长速率依赖的基因表达模式对基因线路稳定性的影响（图3 b,c），并证明了这种生长速率的依赖性给拨动开关的双稳态性带来了分岔的可能(图3 d)。
临界生长速率的决定机制
通过进一步分析数理模型，科研团队发现拨动开关发生分岔的临界生长速率也可以被阻遏蛋白的阻遏阈值（解离常数）所调控。通过改变LacI 结合位点序列，可以改变LacI 蛋白对TetR蛋白表达的阻遏阈值；由此，团队得到了阻遏强度与原始序列（LO1）更强的两个突变体，LO2和LO3，通过定量实验，测定了三者的阻遏阈值，以及不同生理条件下的稳态状态与数量（图4）。科研团队发现，相较于LO1, LO2表现出在实验可测的生长速率范围内均具有双稳态性，而LO3则表现为，在生长速率大于临界生长速率时，呈现出绿色状态的单稳态，速率低于临界生长速率时则呈现双稳态性。这一结果与数理模型的预测一致。
分岔点的附近的动力学行为
在稳态条件下，生长速率可以重塑细胞的命运决定景观。另一个重要的问题是：细胞的生命活动过程是一个非平衡的系统，那么细胞命运的决策是如何在变动的环境下发生的？
科研团队通过扰动细胞生长速率来探究这一问题，通过动态改变培养基的成分，来实现细胞生长速率切换，并实时追踪细胞的状态。首先将细胞在快速生长条件下培养至生理稳定状态，再切换到营养贫瘠的培养基（生长降档），等细胞恢复到生理稳定状态再切换回到营养丰富的培养基（生长升档）。由此发现，初始状态为绿色状态的LO1菌株在生长降档过程最初阶段，红绿两种状态都同时发生升高；随着红色状态的升高，绿色状态开始下降，并最后稳定在红色状态。而LO3菌株，由于在慢速生长条件下为双稳态，全过程维持绿色状态不变。科研团队将LacI和TetR的表达速率与瞬时生长速率之间进行了准稳态近似，构建了基因线路的确定性动力学模型，该模型能很好地捕捉细胞在升档和降档过程中的动力学特征。
有趣的是，LO2菌株在生长降档过程中，细胞发生了分化，一部分细胞仍能维持绿色状态，而一部分细胞分化为红色，尽管，该菌株在任何生长速率范围内都表现为双稳态。这一现象无法被确定性的动力学模型所预测。科研团队利用势能景观图（potential landscape），定量地研究了不同生长速率下，基因表达的噪声对细胞的命运决定的影响，而后发现，当细胞生长速率处于较慢或者较快时，势能景观中，两个稳定态之间的能垒较低，这意味着细胞更容易因噪声而发生状态的切换；因而，LO2菌株在处于降档过程中，一部分细胞在随机性的推动下发生状态切换。
因此，细胞的命运决定过程可以通过两种方式决定：1.确定性机制，网络的稳态性质变化，而引起细胞群体完全发生状态切换；2.通过噪声驱动，在临界点附近发生状态的跳转，以控制部分群体发状态的切换。
图 [1]无论初始状态是红色还是绿色，细胞在平台期都会处于红色状态，绿色细胞在进入平台期前会自发向红色状态切换。
图 [2] 在不同培养条件下，细胞的稳态状态与数量将发生变化，当细胞生长速率低于0.5h-1时，细胞只存在红色一个稳定状态。
图 [3] 实验与模型分析，生长速率依赖的基因表达可以重塑细胞的命运决定景观图。
图 [4]改变阻遏蛋白的阻遏阈值可以平移基因线路对生长速率响应的分岔图。
图 [5] 不同基因线路对生长波动具有不可逆或可逆的命运决定轨迹。
参考文献
1. Gardner, T. S., Cantor, C. R. & Collins, J. J. Construction of a genetic toggle switch in Escherichia coli. Nature 403, 339–342 (2000).
2. Elowitz, M. B. & Leibler, S. A synthetic oscillatory network of transcriptional regulators. Nature 403, 335 (2000).
3. Liu, C. et al. Sequential Establishment of Stripe Patterns in an Expanding Cell Population. Science 334, 238–241 (2011).
4. Klumpp, S., Zhang, Z. & Hwa, T. Growth Rate-Dependent Global Effects on Gene Expression in Bacteria. Cell 139, 1366–1375 (2009).
5. Scott, M., Gunderson, C. W., Mateescu, E. M., Zhang, Z. & Hwa, T. Interdependence of Cell Growth and Gene Expression: Origins and Consequences. Science 330, 1099–1102 (2010).
6. Zheng, H. et al. General quantitative relations linking cell growth and the cell cycle in Escherichia coli. Nat Microbiol 5, 995–1001 (2020).
2023-03-24
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广州地化所：西北地区气溶胶Fe可溶性的季节变化
Fe是生命必需的微量营养元素之一，缺Fe限制了很多海洋地区的初级生产力。气溶胶沉降是开放大洋表层海水中可溶性Fe的主要来源，对海洋生物地球化学循环和初级生产力有重要影响。气溶胶Fe 可溶性的不确定性限制了数值模拟准确评估可溶性 Fe 大气沉降通量。目前尚不清楚实际气溶胶Fe可溶性的影响因素及机制，也未能定量区分一次排放和二次反应对气溶胶Fe可溶性的影响。
中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室博士研究生张欢欢（导师：唐明金研究员）在我们西北内陆城市地区开展了外场观测，研究了气溶胶Fe含量及可溶性的粒径差异和季节差异，探讨了一次排放和二次反应对该研究地区粗粒子（>1 μm）和细粒子（<1 μm）中气溶胶Fe可溶性的贡献。研究结果近日在《大气化学与物理》（Atmospheric Chemistry and Physics）发表。
图1. 各个季节粗细粒子中可溶性Fe与钾离子的相关性。
该研究发现，研究区粗、细粒子总Fe含量在夏季最低；除夏季外，粗粒子总Fe含量无明显差异；细粒子则在春季最高，冬季次之，秋季最低。研究区秋季和冬季粗细粒子中可溶性Fe含量整体高于春季和夏季，且所有季节细粒子中可溶性Fe含量均显著高于粗粒子。沙尘源是研究区总Fe的主要来源，然而沙尘源对可溶性Fe的贡献并不显著；酸化反应、生物质燃烧以及机动车排放、燃煤和金属冶炼等对研究区可溶性Fe有显著贡献。
该研究还发现，研究区粗粒子中Fe可溶性在冬季最高（中值：0.79%），春季最低（中值：0.38%）；细粒子中Fe可溶性在秋季最高（中值：1.79%），春季最低（中值：0.42%）。除春季外，细粒子中Fe可溶性均显著高于粗粒子（图2a）。酸化反应能够显著增强研究区地区气溶胶Fe可溶性，且该增强作用在粗粒子中更为显著；然而，在相同的气溶胶酸度或相对湿度范围内，细粒子Fe可溶性显著高于粗粒子（图2b），这可能意味着细粒子Fe可溶性受燃烧源和人为源的影响更为显著。此外，研究区粗粒子和细粒子中Fe可溶性均随气溶胶酸度和相对湿度的升高而增大，表明气溶胶酸度和含水量在化学反应提高气溶胶Fe可溶性的过程中起着重要作用。
图2. (a) 不同季节粗细粒子的Fe可溶性；(b) 不同气溶胶pH范围内粗细粒子的Fe可溶性。
该研究获国家自然科学基金委（42022050、42277088）和中国博士后科学基金会（2021M703222）等项目资助。
文章信息：Zhang, H. H.（张欢欢）, Li, R.（李锐）, Huang, C. P.（黄承鹏）, Li, X. F.（李小飞）, Dong, S. W.（董书伟）, Wang, F.（王甫）, Li, T. T.（李婷婷）, Chen, Y. Z.（陈奕竹）, Zhang, G. H.（张国华）, Ren, Y.（任燕）, Chen, Q. C.（陈庆彩）, Huang, R. J.（黄汝锦）, Chen, S. Y.（陈思宇）, Xue, T.（薛涛）, Wang, X. M.（王新明）, and Tang, M. J.（唐明金）: Seasonal variation of aerosol iron solubility in coarse and fine particles at an inland city in northwestern China, Atmo. Chem. Phys., 23, 3543-3559, 2023.
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2023-03-24
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广州地化所：“石头会产氧”—地球初始氧的矿物起源
氧气（O2）是人类与动物呼吸的必需物质，但在早期地球大气中几乎没有氧气，直至第一次大氧化事件（The Great Oxidation Event，24.5–23.3亿年前）之后，大气中才开始有氧气的积累，此后出现了真核生物等复杂生命。因此，地球初始氧的起源是解译地球宜居性演化与生命进化的关键。
在过去的40多年时间里，大气光化学反应一直被认为是早期地球初始氧的主要来源，其核心是H2O解离形成过氧化氢H2O2（H2O2分解可形成O2）。但近年的研究发现，大气光化学反应产生的H2O2通量极低，不足以支持产氧光合作用进化等重要过程。2021年，中国科学院广州地球化学研究所何宏平研究员团队发现，在机械外力作用下，矿物－水界面反应可产生H2O2和·OH等活性氧（ROS），并提出由此产生的非生物氧化剂触发了蓝细菌祖先产氧光合作用进化。但值得注意的是，现有的研究认为地球行星环境中的非生物氧化剂主要起源于H2O的解离，真的是这样吗？
近日，中国科学院广州地球化学研究所何宏平研究员团队围绕“地球初始氧的起源”这一关键问题，在模拟早期地球大气环境（PO2<10-6 atm）下，采用同位素示踪技术解剖了石英－水界面反应过程并发现，H2O2和O2中的氧主要源自矿物表面基团（过氧自由基），只有少量的·OH源自H2O的解离，氧原子在矿物－水－大气三相界面上发生快速交换（图1）。在机械外力作用下，硅酸盐矿物－水界面可以不断释放活性氧，而且这种作用广泛存在于风化剥蚀、河流冲刷、构造运动等地质过程中，构成了早期地球非生物氧化剂的重要来源。
图1. 硅酸盐矿物－水界面反应生成H2O2的两种机制
这一重要发现颠覆了“地球初始氧来源于H2O分解”的传统认识，揭示了矿物表面提供早期地球的初始氧。该成果及团队的近期相关工作（Nature Communications, 2021; Communications Earth & Environment, 2023）系统阐述了矿物－水界面反应的产氧机制及其在地球宜居性演化过程中的重要作用，揭示了这种非生物氧化剂是岩石圈、水圈、大气圈和生物圈协同演化的一种内在动力（图2）。该系列工作促进了人们对早期地球表面环境的认识从“均一的还原状态”向“局部存在氧化环境”转变，并为生命起源理论和地外生命探测提供了重要启示。矿物机械化学氧化剂导致的无机“氧绿洲”很有可能也存在于火星等其他类地行星上，产生适宜生命起源和演化的化学梯度条件，对于探索火星生命也具有重要的指导意义。
图2. 早期地球矿物起源的ROS产生过程
该研究得到了国家杰出青年基金（No. 41825003）和国家自然基金（No. 41921003，41888101，42202037，42102028，42073013）的联合资助。研究成果于3月20日发表于《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）。
论文信息：Hongping He（何宏平）*，Xiao Wu（吴逍），Jianxi Zhu（朱建喜），Mang Lin（林莽），Ying Lv（吕瑛），Haiyang Xian（鲜海洋），Yiping Yang（杨宜坪），Xiaoju Lin（林枭举），Shan Li（李珊），Yiliang Li（李一良），H. Henry Teng（滕辉），Mark H. Thiemens*, 2023. A mineral based origin of Earth's initial hydrogen peroxide and molecular oxygen. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. DOI: 10.1073/pnas.2221984120
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2023-03-21
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广州地化所：叠加生物降解与热成熟对叠合盆地的轻质油/凝析油资源潜力和轻烃特征的影响
轻烃(C6–C13)是原油的重要组成部分，具有沸点低、易挥发的特点。轻烃包含丰富的地球化学信息，被广泛用作生物标志物分析的重要补充。传统的液态烃收集法会导致大量的轻烃蒸发损失，导致模拟实验产物与地质条件下的凝析油/轻质油之间存在较大的差别。但这种蒸发损失对轻烃生成潜力及轻烃参数的影响有多大并不清楚。
近年来在我国塔里木盆地和准噶尔盆地相继发现了多个大型轻质油/凝析油藏，这些油藏的轻烃含量很高。在这两个典型的叠合型盆地中，由于多期构造活动的影响，使得早期形成的油气藏经历了多期次的调整改造，例如早期生物降解作用和后期热成熟作用的叠加（叠加次生改造），这在塔北和塔中地区比较普遍。早期发生的生物降解作用往往会显著改变原油的化学组成和分子结构，从而影响原油后期热裂解生成轻烃的时机和潜力。目前，国内外对不同类型的次生改造作用相叠加的研究很少，对于轻烃在此过程中受到的影响的研究工作更少，这大大限制了对我国叠合盆地油气资源特点的认识，也制约了深层油气资源评价和油气勘探的部署。
针对上述问题，中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室博士生黄越义在导师廖玉宏研究员的指导下，首先改进了黄金管封闭体系热解实验后液态烃收集方法，即采用液氮直接冷冻收集液态烃，并与传统的液态烃收集法做了对比。结果表明，传统液态烃收集法比液氮直接冷冻收集法少收集了10% ~ 75%的轻烃（图1a），这显著低估原油热裂解生成轻烃的潜力。此外，传统液态烃收集法测定的轻烃最大产率对应的成熟度为Easy%Ro = 1.08，而液氮直接冷冻收集法测定的轻烃最大产率对应的成熟度为Easy%Ro = 1.67（图1a），更接近地质条件下轻质油和凝析油中轻烃占比较高时的成熟度，因而更为合理。相比于传统液态烃收集法，液氮直接冷冻方法不仅能有效抑制轻烃的蒸发损失，还能较好地揭示轻烃的原始/实际地球化学信息，是一种更好的热解油收集方法。
研究团队还采用黄金管封闭体系热模拟实验，将四种同源且具有不同生物降解程度的原油人工熟化到不同的成熟度，以此来模拟油藏经历的早期生物降解作用与后期热成熟作用相叠加时的复杂次生改造作用。结合液氮直接冷冻收集法，分析了叠加次生改造作用对原油中的轻烃产率及特征的影响。
图1 (a)不同成熟度下两种收集方法获得的C6–C13轻烃总产率；(b)四种原油热解过程中C6–C13轻烃总产率随成熟度(Easy%Ro)的变化。
在叠加次生改造影响下，生物降解作用显著降低了原油裂解生成轻烃的潜力（图1b）。轻度-中度降解油、重度降解油和严重降解油的轻烃产率峰值分别仅占未降解油的55.6%、48.7%和40.2%。这主要是生物降解过程中微生物对原油中富氢的链烷烃的选择性去除，显著降低了原油热解生成轻烃的潜力。因此，对于发生了早期生物降解作用+晚期热成熟作用的叠合盆地而言，叠加次生改造可能导致基于正常油热解的数值模型计算得到的轻质油/凝析油的资源潜力被大大高估。
在叠加次生改造影响下，基于轻烃比值的油-油对比指标可能被严重改造而失效。例如常用的P3 vs (P2 + N2)和P2 vs N2/P3等油-油对比图因受叠加次生改造作用影响（图2a和b）而导致油-油对比出现严重偏差，但(2-MH + 2,3-DMP) vs (3-MH + 2,4-DMP)图仍然能适用于油-油对比（图2c）。
图2 基于轻烃比值的油-油对比指标。
在叠加次生改造影响下，基于轻烃比值的成熟度指标可能被明显修改而失真。例如，生物降解油中与成熟度相关的大部分轻烃参数比未降解油在更低的成熟度（Easy%Ro）时达到最大值，并且普遍低于未降解油的相应轻烃参数（图3），这可能导致原油成熟度评估出现明显偏差。
图3 基于轻烃比值的成熟度指标。
在叠加次生改造影响下，用于识别次生改造类型的异庚烷值vs庚烷值图和甲苯/n-C7 vs n-C7/甲基环己烷图，尽管在轻度-中度生物降解阶段仍然适用，在重度和严重生物降解阶段不再适用于识别次生改造类型（图4）。因此，这可能导致基于轻烃参数的次生改造作用类型判识出现偏差。此外，当Easy%Ro在0.5–1.4%范围内时，生物降解油热解产生的大多数轻烃产物与未降解油热解产生的相应轻烃产物的δ13C值存在一定的差别，主要原因是原生轻烃和次生轻烃的δ13C值存在差别，且在不同成熟阶段这两种来源的轻烃的占比有所不同，导致这种碳同位素分馏效应随着成熟度的升高而逐渐减弱。
图4 识别次生改造作用类型的轻烃参数图版
综上所述，叠加次生改造过程对轻烃生成潜力、轻烃指标以及轻烃的δ13C值均有显著影响。因此，在叠合盆地开展的轻烃资源评估以及基于轻烃特征的油-油对比和成熟度评估，应该结合油气藏的次生改造改造过程来做出判断。
本研究受到中国科学院A类先导科技专项（XDA14010103）和国家自然科学基金面上项目（41872156）的资助。相关研究成果近期发表在国际期刊Organic Geochemistry上。
论文信息：
1. Huang, Y.（黄越义）, Liao, Y.*（廖玉宏）, Pan, Y.（潘银华）, Hsu, C.S.（许强）, Wang, Y.（王云鹏）, Peng, P.a.（彭平安）, 2022. Improved light hydrocarbons collection method for the pyrolysis of crude oil in gold tube closed system experiments. Organic Geochemistry. 168, 104432. DOI: 10.1016/j.orggeochem.2022.104432
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2. Huang, Y.（黄越义）, Liao, Y. *（廖玉宏）, Xu, T.（许涛）, Wang, Y.（王云鹏）, Peng, P. （彭平安）, 2023. Characteristics of light hydrocarbons under the superimposed influence of biodegradation and subsequent thermal maturation. Organic Geochemistry 177, 104557. DOI: 10.1016/j.orggeochem.2023.104557
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2023-03-21
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深圳先进院：模块化和可编程地控制哺乳动物细胞多个基因表达剂量的人工基因线路
该工作通过在哺乳动物构建人工正交转录系统，实现了单个和多个启动子转录活性的精准微调，构建了具有预测能力的多基因表达量的定量热力学模型，并将这个定量模型应用于甲型流感病毒（H1N1）病毒样颗粒（VLP）组分与产量的优化设计。
北京时间3月18日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所娄春波课题组与北京大学物理学院定量生物学中心欧阳颀/钱珑团队合作在Nature Communications上发表精准控制哺乳动物细胞多个基因表达剂量的人工基因线路，题为“Precise programming of multigene expression stoichiometry in mammalian cells by a modular and programmable transcriptional system”。该工作通过在哺乳动物构建人工正交转录系统，实现了单个和多个启动子转录活性的精准微调，构建了具有预测能力的多基因表达量的定量热力学模型，并将这个定量模型应用于甲型流感病毒（H1N1）病毒样颗粒（VLP）组分与产量的优化设计。秦宸睿、项延会和刘杰为共同第一作者，中科院深圳先进院娄春波和北京大学钱珑为文章共同通讯作者。
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在哺乳动物细胞中，精确调控基因线路对于细胞适应环境、稳态维持和发育分化等生理功能至关重要。关键基因表达量过量或不足都可能导致癌症等重要疾病。此外，多个细胞命运决定因子表达剂量也是重塑细胞命运分化和发育的关键因素。然而，在哺乳动物细胞中，基因表达受到多种复杂因素的影响，例如：基因顺序、基因组位置、表观遗传修饰和宿主细胞类型等，使得精确控制基因表达剂量变得非常困难。比如说，常用的启动子EF1α的转录活性在HEK293T等七个细胞系中受到细胞类型的显著影响；而CMV强启动子在运动神经元细胞中的表达活性会出现起始活性很高而随后逐渐减弱的情况。因此，模块化、不受细胞类型影响且可编程的基因表达系统成为哺乳动物细胞生物学和合成生物学研究中的重要瓶颈问题。
本文提出一种设计策略，旨在开发一种模块化、独立于宿主的正交型转录系统。该正交型转录系统由正交型启动子库和单体RNA聚合酶（RNAP）组成。该系统通过将RNA加帽酶与单体RNAP融合，可确保原核来源的单体RNAP在哺乳动物细胞中按照“跨域（domain）”方式实现基因转录、转录后修饰、出核和翻译等真核系统蛋白质表达的必需步骤（图1）。
本论文发现了不同基因表达活性的竞争效应，并建立了定量的热力学模型。针对两个基因的竞争问题，研究团队设计了一个哺乳动物细胞系中的两个报告基因（图2）。在这个双报告基因体系中，每个报告基因由正交型启动子库中的七个代表性启动子之一控制，共有49种不同的组合。实验结果发现一个基因的强启动子显著降低了另一个基因的表达。这个结果证明了两个报告基因在竞争有限资源（ [RNAP]free）。因此，本论文提出了利用[RNAP]free取代的[RNAP]tot的新型热力学方程式（图2e）。
在哺乳动物细胞中，多个基因的先后顺序也会显著影响基因表达量。为了研究基因先后顺序对基因表达量的影响，研究团队设计了三个报告基因的六种可能的先后顺序（1-2-3， 1-3-2， 2-1-3， 2-3-1， 3-1-2， 3-2-1），并计算了报告基因在所有六种组合中的表达量的方差 (图3)。作者们发现同一启动子的表达量的方差系数(CV) 非常小。这个结果表明启动子活性不受其局部基因环境的显著影响，而且在CHO和HEK293T细胞株中都保持类似行为。另外，研究团队在50个启动子库中，针对三个不同报告基因任意选择其启动子（活性变化100倍左右）。通过修正的热力学模型，文章预测了三种报告基因的活性。根据实验结果发现哺乳动物细胞中的三个基因的蛋白表达量都可以由模型预测（R2=0.81~0.88）。
为证实正交转录系统的优势，研究团队使用定量热力学模型优化了病毒样颗粒的多个亚基的基因表达剂量。病毒样颗粒（VLP）是由多个蛋白质组成的无病原性并且不能进行复制的纳米颗粒。在疫苗和药物传递等生物医学领域具有广泛的应用潜力。多个蛋白亚基的表达水平对于VLP的组装效率和免疫原性至关重要。因此，团队研究了表达水平的可编程性以及它对VLP产量的影响。首先，作者们验证了在适当的表达剂量条件下，甲型流感病毒的三个关键亚单位（血凝素（HA）、神经氨酸酶（NA）和基质蛋白1（M1））可以形成稳定的VLP。然后，构建了两个融合基因（egfp-M1和NA-mCherry），用于定量表征VLP的产量和完整度。接着，使用修正后的定量热力学模型预测了所有预设启动子参数和基因特异性参数的VLP产量（共157,464个组）。通过虚拟筛选和理论分析，研究团队发现HA基因的高表达对产生VLP有害，而适当表达的三个基因则可以产生更多的VLP颗粒。最后，团队选择了十余组高产组合进行实验验证，结果发现所有组合都产生了更多的VLP颗粒，并且实验结果与预测值相符，其中预测值越高实验结果越好。
综上所述，本研究开发了一种模块化、可编程的正交型转录调控系统。此外，该研究还建立了基于胞内资源竞争和结合能的定量热力学理论模型，可以实现对哺乳动物细胞中多个基因表达剂量的精确设计和预测。通过利用这种正交型转录系统，研究团队还成功地优化了甲型流感病毒病毒样颗粒（VLP），为新型高效甲型流感疫苗的开发和生产提供了潜力。
该工作得到了国家重点研发计划项目，国家自然科学基金，中科院先导计划、青年交叉团队项目和深圳合成生物学创新研究院的资助。
图1. 正交型启动子库和跨物种通用转录系统的构建和定量模型的实验验证
图2. 哺乳动物细胞内关键因子的共享造成多个启动子活性的竞争效应和相关定量热力学模型
图3. 基因先后顺序对正交型转录系统的影响很小，及相关定量热力学模型的预测性
图4. 甲型流感病毒的病毒样颗粒（VLP）的三个亚基基因的表达剂量的可预测优化与实验验证
2023-03-20
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深圳先进院SEER-FISH成像技术：解析微生物组空间结构的新利器
团队发展了一种可容错编码的序贯荧光原位杂交（SEER-FISH）技术，用于解析复杂微生物群落的空间结构。
3月17日，中国科学院深圳先进技术研究院合成微生物组学研究中心、深圳合成生物学创新研究院戴磊课题组在Nature Communications上发表了基于成像的空间微生物组最新研究成果，题为"Spatial profiling of microbial communities by sequential FISH with error-robust encoding"。该团队发展了一种可容错编码的序贯荧光原位杂交（SEER-FISH）技术，用于解析复杂微生物群落的空间结构。该方法可识别复杂群落中的不同微生物物种，在单细胞尺度上原位解析微生物物种之间以及微生物-宿主之间的相互作用，是研究微生物群落的生态和功能的重要工具。团队成员博士生曹朝辉和左文龙博士为共同第一作者，戴磊研究员为文章通讯作者。
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自然界中的微生物群落有着丰富的物种多样性，各种微生物独特的生存方式和相互作用关系构成了群落特定的空间结构。尽管现有的高通量测序技术能够描绘微生物群落的物种组成及丰度，仍缺乏解析群落空间结构的有力工具。由于传统荧光显微成像技术可分辨的物种数量受限于荧光基团的颜色种类，绘制高物种分辨率的复杂微生物群落的空间结构仍有重大挑战。基于此，研究团队发展了新的SEER-FISH成像技术并将其用于复杂微生物群落，在微米尺度上绘制了拟南芥根系定植的微生物群落的空间分布，观测到不同物种在根表上的空间异质性定植，以及在受到宿主代谢物扰动后的空间分布变化和物种空间关联改变。SEER-FISH技术可以精准解析复杂微生物群落的空间结构，对于研究植物根际、人体肠道等宿主共生微生物组的生态规律和生理功能提供了有力工具。
SEER-FISH通过序贯荧光原位杂交的方式实现微生物群落空间结构的解析。其工作原理是为每种微生物分配特定的多色编码，每轮使用带有相应颜色荧光基团的寡核苷酸探针来标记对应的微生物，再通过多轮荧光原位杂交成像获取每个细胞的多色编码，从而确定其对应的物种（图1a-c）。进一步对编码进行优化，使用不同汉明距离（HD, hamming distance）的纠错编码可以提高物种准确识别率，并且具有高度的可扩展性（图1d）。
研究团队首先在不同微生物群落的体外成像实验中对SEER-FISH技术进行系统评估。实验验证了该方法对群落组成识别的准确性和可重复性，能够准确量化群落物种组成的变化（图2a-c），使用不同的编码方案所得到的群落组成高度一致（图2d-f）。
植物根际定植着高度多样的微生物群落，它们受到植物宿主的调控又影响着植物的生理健康。然而我们对于根际微生物群落的空间结构却鲜有认知。研究团队将SEER-FISH应用于根表微生物的空间成像，勾勒了不同生理分区分布定植的微生物群落组成 （图3a-c）。研究团队发现，定植在根表的微生物群落并非随机分布，而是倾向于形成聚集体。这些微生物聚集体的尺度在几十到几百微米，并且存在多个物种（图3d-f）。微生物聚集体的形成的具体原因有多种假说，包括偏好性定植、提高在根际环境下的适应性等。此外，通过对群落中的微生物进行邻近关系分析，发现了显著的菌-菌空间关联（图3g）。
通过外源添加拟南芥根际分泌的代谢产物植保素（camalexin）和香豆素（fraxetin），研究团队发现根际微生物的组成和空间分布都发生了显著的变化（图4a-c）。比如，中华根瘤菌主要定植于靠近根尖的位置，而这种偏好性的定植在加入植保素和香豆素后发生了改变（图4d）。农杆菌本身在根上的定植没有偏好性，但在受到香豆素扰动后表现出更多的定植于根成熟区（图4e）。根际微生物空间分布的高度异质性和物种之间的差异，与环境异质性、微生物本身的特性都有关。进一步对定植微生物的空间关联进行分析，发现植保素和香豆素都不同程度地影响改变了物种之间的空间关联（图4f）。微米尺度下的空间关联暗示了微生物群落中不同物种之间广泛存在的短程相互作用 (如营养竞争与互养、接触抑制、群体感应等)，对于进一步的机制研究有重要的指导意义。
该工作得到了国家重点研发计划项目（No.2019YFA0906700）、国家自然科学基金（No.31971513, No.32061143023, No.32100072）、广东省自然科学基金（No. 2022A1515011513）及深圳合成生物创新研究院的资助。
SEER-FISH拍摄的植物根际微生物组
图1 SEER-FISH多轮成像的工作原理
图2 SEER-FISH可以精准解析复杂微生物群落的组成
图3 在单细胞水平上解析定植于拟南芥根表的微生物群落
图4 解析拟南芥根际分泌的代谢产物对微生物组空间分布的影响
2023-03-20
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深圳先进院在随机过程视角下的细菌细胞分裂调控研究获得进展
研究文章指出，分子层面的随机涨落是影响细菌细胞分裂调控的重要因素。
合成生物学的核心愿景之一是人工合成单细胞生命。要实现这一目标，科研人员需要精准控制细胞的分裂时机，以保证每一代细胞的大小保持一定范围。若过长时间不进行分裂，细胞体积会越来越大， DNA复制和分离等过程的错误率增加，细胞代谢也会受到影响。反之，如果细胞过早分裂，可能导致分裂后的细胞体积过小、细胞质不足甚至DNA尚未完成复制，导致生命活动停止。细菌是一种生长迅速的微生物，其细胞体积可在20分钟内翻倍，为实现快速生长，细菌不像真核生物那样设置检查点明确区分细胞生长、染色体复制等过程。这种情况下，细菌如何决定分裂时机？虽然人类已经观测到细菌已有数百年之久，但至今仍未完全理解其中奥秘。
近日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所傅雄飞研究员及白阳副研究员联合华中农业大学罗亮博士在Physical Review Research杂志发表研究文章指出，分子层面的随机涨落是影响细菌细胞分裂调控的重要因素。
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目前，有三种可能的调控机制可以描述细菌的细胞分裂。首先是体积决定机制，它假设细胞监测自身体积，当其达到一个特定的分裂阈值时，就会执行细胞分裂。其次是增量决定机制，即细胞会记录自上一次分裂以来的体积增加值，并在增量达到特定的分裂阈值时执行分裂。最后是时间决定机制，即细胞记录自上一次分裂以来经过的时间，并在达到特定的分裂阈值时执行分裂。然而科学家们未能明确细菌的细胞分裂究竟使用的是哪种决定机制，以及这背后的分子基础是什么。
细胞分裂时机对于细胞生长和遗传稳定性的重要性不言而喻，长期以来科学家们一直在探索细胞分裂时机的决定机制。科学家们近年来实现了对单个细菌细胞的长时间拍照观测，记录了多代细胞出生-生长-分裂的过程。通过这些观测，他们发现了一个有趣的现象：尽管细菌的体积有所不同，但是，平均而言，两次分裂之间的体积增加值却并不随它出生时的体积变化。这个发现似乎表明细菌细胞以体积增量为调控目标，决定分裂时机。该发现引发了新一波细菌细胞分裂调控机制的研究，极大加深了我们对细菌细胞周期的理解。然而，新的研究又对体积增量决定细胞分裂时机的机制提出了质疑。科学家们至今依然未能确定细菌细胞分裂时机的决定机制。
傅雄飞课题组在新发表的文章中指出，人们可能误解了“细菌的体积增量不随它出生时的体积变化”这一实验观测背后的真正含义。这是因为，细胞内无处不在的随机过程也会作用在细胞分裂阈值之上，使得三种不同的细胞分裂决定机制都能展现出“体积增量不随细菌出生体积改变”的实验现象。通过构建包含随机性的理论模型，该研究充分解析了随机过程对细胞分裂行为的影响。研究发现，随着分裂阈值随机过程自身特性的不同（自关联系数），三种细胞分裂时机的决定机制，都可以展现出看似体积决定、增量决定或者时间决定的实验现象。因此，实验人员需要进一步测量分裂阈值本身的自关联系数，才能更准确地理解细菌细胞分裂的调控机制。
这一发现大大提高了人工细胞理性设计的灵活度。科研人员可以在细胞分裂决定机制难以改动的情况下，通过对分裂阈值随机过程特征的巧妙设计，控制细菌细胞的分裂行为。该工作获得了国家科技部重点研发计划项目、中国科学院先导项目，国家自然科学基金面上项目及深圳合成生物学创新研究院的支持。
图：细菌细胞分裂的三种决定机制
图：细菌分裂阈值的随机过程会影响细胞分裂行为特征，使得同样的分裂决定机制展现出多样化的实验观测结果
2023-03-20
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深圳先进院在超声分子成像肿瘤细胞上皮-间质转化可评估肿瘤转移潜力
该工作利用生物合成的纳米气囊实现了对肿瘤上皮-间质转化（EMT）动态变化的超声分子成像，为评估肿瘤转移潜力提供了新方法。
近日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所严飞研究员团队最新成果以“Ultrasound Molecular Imaging of Epithelial Mesenchymal Transition for Evaluating Tumor Metastatic Potential via Targeted Biosynthetic Gas Vesicles”为题在线发表于材料科学知名期刊Small (IF：15.3)。该工作利用生物合成的纳米气囊实现了对肿瘤上皮-间质转化（EMT）动态变化的超声分子成像，为评估肿瘤转移潜力提供了新方法。
深圳先进院合成所严飞研究员为该文章的通讯作者，合成所硕士研究生郝永胜，深圳市第二人民医院李振洲医师，深圳大学硕士研究生罗静娜为该文章的共同第一作者。
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上皮-间质转化（Epithelial Mesenchymal Transition，EMT）是驱动肿瘤转移的重要因素。研究表明，EMT演变过程中伴随着多种分子标志物的变化，其中“钙黏蛋白转换（Cadherin Switch）”是最典型的分子变化：肿瘤细胞表面E-钙黏蛋白（E-cadherin，E-cad）的表达逐渐下调，而N-钙黏蛋白（N-cadherin，N-cad）的表达逐渐上调。在这一过程中，肿瘤细胞逐渐失去上皮特征，获得间质表型，促使肿瘤细胞的侵袭转移能力增强。因此，实现对肿瘤EMT变化的检测对于评估肿瘤转移潜力具有重要意义。超声成像作为一种成像深度高、性价比高的医学影像方法已被广泛应用于临床。近年来，微生物合成的纳米级气体囊泡（Gas vesicles, GVs）为实现肿瘤血管外肿瘤细胞标志物的无创在体超声分子成像检测提供了可能。
这项工作中，研究团队首先评估了GVs的肿瘤血管渗透能力，与微米级的磷脂微泡对比，GVs能够通过肿瘤血管内皮间隙，进入血管外肿瘤组织中并实现超声造影成像。随后研究团队利用GVs构建了靶向E-cad/N-cad的超声分子成像探针E-cad-GVs/N-cad-GVs，并测试了其与不同EMT状态下肿瘤细胞的粘附能力，结果表明，E-cad-GVs/N-cad-GVs与细胞的结合效率取决肿瘤细胞的EMT状态（图1）。
为了实现对肿瘤EMT变化的在体检测，研究团队对处在不同EMT状态的早期荷瘤小鼠和晚期荷瘤小鼠通过尾静脉注射了E-cad-GVs/N-cad-GVs超声分子探针，并对肿瘤进行超声分子成像检测。结果显示，超声分子成像可以成像早期和晚期肿瘤不同的EMT状态，其结果与传统免疫组织化学染色检测的E-cad/N-cad表达水平十分吻合（Pearson r：0.83），表明基于E-cad-GVs/N-cad-GVs的超声分子成像可用于评估肿瘤EMT变化（图2）。最后，研究团队进一步分析了肿瘤EMT变化的成像结果与肿瘤转移情况相关性，进一步评估了基于E-cad-GVs/N-cad-GVs的超声分子成像评估肿瘤转移潜力的可行性（图3）。
该工作获得了国家科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金面上项目、深圳市科创委以及深圳合成生物学创新研究院等项目的支持。
图1. E-cad-GVs/N-cad-GVs探针与不同EMT状态肿瘤细胞的黏附效果
图2. E-cad-GVs/N-cad-GVs探针成像早期和晚期肿瘤EMT状态的结果
图3. 超声分子成像信号及免疫组化信号与肿瘤肺转移结节的相关性分析
2023-03-20
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广州地化所：南海“海马”冷泉区自生锰微结核的矿物学特征及其对冷泉系统锰地球化学的指示
海底冷泉（Cold Seeps）是一种来自海底沉积界面以下，以水、甲烷或其他碳氢化合物为主要组分的低温流体，是海洋物质和元素循环的重要途径。冷泉逸出的甲烷90%以上由硫酸盐还原和甲烷缺氧氧化（Anaerobic Oxidation of Methane, AOM）作用消耗。一般认为，SO42-是AOM的主要电子受体。但有研究提出，锰（Mn）有可能参与了AOM，并为化能微生物提供高于SO42-的能量，但该过程尚未在冷泉系统中实际观察到。另一方面，锰的自生矿物广泛分布于海洋各种沉积环境中，在海底累积形成多金属结核和富钴结壳等资源，部分以铁锰微结核的形式存在，近年来广受关注。已有研究发现，冷泉系统中存在富锰沉积层和菱锰矿等自生锰矿物，但缺乏关于现代活动冷泉中自生锰微结核的研究。
本研究团队从南中国海（SCS）的活跃“海马”冷泉区采集到了富锰沉积物，从中提取到锰微结核并开展了矿物学和地球化学分析。研究结果表明，冷泉区的自生微结核粒径较小（大部分颗粒直径小于100μm），主要呈不规则状或近球形，表面粗糙多孔（图1）。物相主要为弱结晶的7？-和10？-层状锰酸盐矿物（图2）。
图1 “海马”冷泉区锰微结核样品形貌以及微生物矿化与化学沉淀产物结构特征
图2 “海马”冷泉区锰微结核样品中7？和10？层状锰酸盐矿物结构特征
相较于其它普通沉积环境中发现的铁锰微结核，“海马”冷泉区的锰微结核样品中富含Mn而相对亏损Fe、Co、Ni、Cu和稀土。该锰微结核中具有微生物矿化结构和化学沉淀特征（图1），剖面结构较均一，无明显层状结构。依据Co年代学计算方法，基于其Co、Fe、Mn含量计算发现，该微结核的生长速率异常高（平均达～8267mm/Myr），说明锰微结核的物质来源可能是深部富金属冷泉流体，而锰微结核很可能形成自生物矿化和化学沉淀共同作用下的快速沉淀过程。基于以上分析，本研究团队提出了锰在活跃冷泉环境下的运移模式：在缺氧/还原环境的AOM过程中，沉积物中的Mn(IV) 可以被还原活化为Mn(II)，并释放到孔隙水中；Mn(II)将向上扩散，在氧化环境中重新氧化并沉淀形成锰微结核（示意图见图3）。
图3 活跃冷泉区锰迁移过程示意图
该南海“海马”冷泉区自生微结核的发现，指示了现代活跃冷泉区中锰细菌的活动，支持了其中依赖Mn的AOM作用发生的可能性，从而加深了对冷泉系统中锰的地球化学的认识。
该研究成果已在线发表于国际期刊Journal of Geophysical Research：Oceans。论文第一作者为中科院广州地球化学研究所博士生张欢，通讯作者为袁鹏教授（中国科学院广州地球化学研究所/广东工业大学）和自然资源部第二海洋研究所董彦辉副研究员。该研究受到国家高层次人才计划项目、国家自然科学基金项目等的资助。
论文信息：Huan Zhang(张欢), Junming Zhou(周军明), Peng Yuan(袁鹏)*, Yanhui Dong(董彦辉)*, Wenxiao Fan(樊文枭), Xing Yu(余星), Jianggu Lu(鲁江姑), 2023. Implication from mineralogical and geochemical characteristics of authigenic micronodules in the Haima cold seeps for understanding the manganese geochemistry in active seepage, Journal of Geophysical Research: Oceans, https://doi.org/10.1029/2022JC019194
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（中国科学院矿物学与成矿学重点实验室供稿）
2023-03-20
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广州地化所在贫锡型多金属矿床中铟的富集机制研究方面取得重要进展
铟是一种重要的战略性关键矿产资源，在许多新兴高科技产业中都有着不可替代的作用。纵观全球范围，重要的铟矿床多伴生于岩浆热液型锡多金属矿床。中国作为铟资源大国，大部分的铟资源也都产自华南的锡多金属矿床。长期以来，这些富铟的锡多金属矿床被认为是研究铟成矿作用的理想案例。然而，近年来的研究发现，一些贫锡的岩浆热液矿床中也有铟的富集，甚至达到中型-大型规模。但是，有关铟在贫锡矿床中富集机制的研究还非常少。因此，查明贫锡的多金属矿床中铟的赋存状态、富集机制，对全面理解铟成矿作用和资源的开发利用都具有重要意义。
针对“贫锡矿床中铟的富集机制”这一科学问题，中国科学院广州地球化学研究所博士生陈程及其导师赵太平研究员等，以华北克拉通南缘、与晚中生代花岗岩有关的赤土店铅锌银矿为研究对象，利用微区分析技术对赤土店矿床中铟的主要载体——闪锌矿开展了详细的研究，取得了以下重要认识：
1. 赤土店矿区的闪锌矿富集Fe、Mn、In，贫Ge、Ga，平均Zn/Cd为219.5，指示这些闪锌矿形成于与岩浆热液有关的中高温环境。其中，In在赤土店矿床中主要以微量元素的形式赋存于闪锌矿中，其在闪锌矿中的替代机制为In3+ + Cu+？2Zn2+。
2. 传统的观点认为，温度是控制铟在矿床中发生富集的重要因素，通常高温矿体相对富铟，低温矿体相对贫铟。但是，在赤土店矿床中，远离成矿岩体的低温矿体在变形部位也具有高的铟含量，暗示铟的富集还受控于其他因素。
3. 对这类变形矿体中的硫化物开展的显微观察表明，产自矿体变形部位的硫化物多发生碎裂，暗示这些矿物遭受了应力破坏（图1a-e）。其中，矿体变形部位的闪锌矿明显分为两期，早期有环带结构的闪锌矿在被构造-流体改造后，又被晚期的闪锌矿胶结（图1f-k）。元素面扫描分析显示，赋存在早期闪锌矿中的铟（及其他微量元素）发生了活化、迁移，并向晚期的闪锌矿中再次富集（图2-3），从而导致矿脉变形部位的铟含量显著提高。
因此，对于贫锡的赤土店矿床，后期构造-流体对原生硫化物矿体的改造是导致铟在该矿床中富集的重要因素之一（图4）。
图1 赤土店矿床矿体变形部位硫化物显微结构
图2 矿体变形部位闪锌矿LA-ICP-MS面扫描分析结果
图3 矿体变形部位闪锌矿EMPA面扫描分析结果
图4 构造-流体改造过程中铟的富集模式图
本文得到国家自然科学基金委“战略性关键金属超常富集成矿动力学”重大研究计划培育项目（项目编号：92062102）和国家自然科学基金委重点项目（项目编号：42230807）的资助。相关成果近期发表在国际矿床学期刊《Ore Geology Reviews》上。
论文信息：Chen, Cheng（陈程）; Meng, Lei（孟雷）; Xu, Jing（徐净）; Zhan, Qiang（詹强）; Zhao, Taiping（赵太平）*. 2022. Texture and geochemistry of sphalerite from the Chitudian Pb-Zn-Ag deposit, southern "TEXT-ALIGN: justify">论文链接
2023-03-17
