化學(xué)梯度在細(xì)胞命運(yùn)決定與空間組織中發(fā)揮關(guān)鍵作用，可擴(kuò)散分子以濃度依賴方式作用于活細(xì)胞，其時(shí)空動(dòng)力學(xué)精準(zhǔn)調(diào)控細(xì)胞行為。然而，生物信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性及定量數(shù)據(jù)的缺乏，使理解非均勻信號(hào)場(chǎng)中時(shí)空模式的相互作用極具挑戰(zhàn)。受此啟發(fā)，人工細(xì)胞樣結(jié)構(gòu)等合成系統(tǒng)為研究非平衡條件下的復(fù)雜生物現(xiàn)象提供了契機(jī)。近來，在多隔室結(jié)構(gòu)或固定化人工細(xì)胞陣列中已觀察到梯度響應(yīng)行為。但如何系統(tǒng)性調(diào)控梯度，以在人工細(xì)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(xué)梯度在細(xì)胞命運(yùn)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(xué)田良飛研究員及其團(tuán)隊(duì)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(gòu)建16組不同摩爾比的雙向梯度場(chǎng)。通過超聲操控技術(shù)將凝聚體液滴組裝成二維陣列，系統(tǒng)探究梯度場(chǎng)變化對(duì)液滴形態(tài)分化及空間組織的影響。基于分化的液滴形貌，進(jìn)一步構(gòu)建了3位二進(jìn)制空間信息編碼系統(tǒng)。 通過在聲場(chǎng)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(cè)分別引入不同濃度的SDS和POM溶液，構(gòu)建對(duì)向梯度場(chǎng)后，發(fā)現(xiàn)ATP在凝聚體陣列中可被SDS和POM競(jìng)爭(zhēng)性置換，導(dǎo)致液滴膜重構(gòu)。在SDS/POM濃度為1.8/0.45 mM時(shí)，均質(zhì)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(zhǎng)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(diào)控SDS/POM梯度場(chǎng)濃度發(fā)現(xiàn)，在恒定POM濃度下，增加SDS濃度可促進(jìn)液滴分化，形成多種液滴形貌，增加空間群體的異質(zhì)性；反之，恒定SDS濃度下增加POM濃度則導(dǎo)致群體均質(zhì)化。 基于此，研究人員構(gòu)建了新型空間編碼系統(tǒng)，將觀測(cè)區(qū)域分為左（L-Region）、中（M-Region）、右（R-Region）三個(gè)子區(qū)域。區(qū)域內(nèi)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(shí)驗(yàn)共產(chǎn)生8種3位二進(jìn)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(duì)應(yīng)了5組輸入配比；“000”編碼對(duì)應(yīng)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(qiáng)編碼可重復(fù)性，而SDS濃度變化與編碼類型無直接關(guān)聯(lián)。
圖1：基于凝聚體分化陣列的3位二進(jìn)制空間編碼系統(tǒng) 該系統(tǒng)將人工細(xì)胞群體的空間分布轉(zhuǎn)化為并行信息載體，通過子區(qū)域表型直接輸出3位二進(jìn)制編碼，實(shí)現(xiàn)多比特信息轉(zhuǎn)換。這不僅加深了對(duì)梯度依賴群體行為的理解，也為動(dòng)態(tài)空間編碼提供了新方法，推動(dòng)了生物計(jì)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(jìn)一步提升編碼復(fù)雜度和可靠性，為發(fā)展新型生物計(jì)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(xué)的田良飛研究員。浙江大學(xué)博士生吳舒淇為該論文的第一作者。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（32171302），浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022C03071），浙江大學(xué)百人計(jì)劃，之江實(shí)驗(yàn)室開放研究項(xiàng)目（2022RD0AB01），中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（226-2024-00059）和ICGEB研究資助（CRP/CHN21-04_EC）資金支持。 ChemSystemsChem DOI: 10.1002/syst.202400064
