化学梯度在细胞命运决定与空间组织中发挥关键作用，可扩散分子以浓度依赖方式作用于活细胞，其时空动力学精准调控细胞行为。然而，生物信号网络的复杂性及定量数据的缺乏，使理解非均匀信号场中时空模式的相互作用极具挑战。受此启发，人工细胞样结构等合成系统为研究非平衡条件下的复杂生物现象提供了契机。近来，在多隔室结构或固定化人工细胞阵列中已观察到梯度响应行为。但如何系统性调控梯度，以在人工细胞群体中产生新的空间编码行为，仍缺乏深入研究。这为揭示化学梯度在细胞命运中的作用及开发新型合成生物系统提供了重要方向。 近日，浙江大学田良飞研究员及其团队利用十二烷基硫酸钠（SDS）和磷钨酸钠（POM）作为人工形态发生素，构建16组不同摩尔比的双向梯度场。通过超声操控技术将凝聚体液滴组装成二维阵列，系统探究梯度场变化对液滴形态分化及空间组织的影响。基于分化的液滴形貌，进一步构建了3位二进制空间信息编码系统。 通过在声场中通过加入聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDDA）和三磷酸腺苷（ATP），利用声辐射力可以形成二维凝聚体液滴阵列。在两侧分别引入不同浓度的SDS和POM溶液，构建对向梯度场后，发现ATP在凝聚体阵列中可被SDS和POM竞争性置换，导致液滴膜重构。在SDS/POM浓度为1.8/0.45 mM时，均质液滴分化出五种形貌：POM部分置换ATP形成的球形囊泡（PCV）；PCV膨胀坍塌后形成的长条形囊泡（PCB）；SDS完全置换ATP形成的囊泡（SV）；SDS/POM共同置换ATP形成的褶皱囊泡（PSWV）；SDS/POM部分置换ATP形成的杂化膜囊泡（PSCV）。通过调控SDS/POM梯度场浓度发现，在恒定POM浓度下，增加SDS浓度可促进液滴分化，形成多种液滴形貌，增加空间群体的异质性；反之，恒定SDS浓度下增加POM浓度则导致群体均质化。 基于此，研究人员构建了新型空间编码系统，将观测区域分为左（L-Region）、中（M-Region）、右（R-Region）三个子区域。区域内只有单一表型即编码为“0”，具有混合表型即编码为“1”。16组实验共产生8种3位二进制编码（000至111）。值得注意的是，不同梯度输入可生成相同编码（如“101”编码出现频率最高，对应了5组输入配比；“000”编码对应了4组输入配比等），显示多输入-单输出特性。固定浓度比下提高POM浓度可增强编码可重复性，而SDS浓度变化与编码类型无直接关联。
图1：基于凝聚体分化阵列的3位二进制空间编码系统 该系统将人工细胞群体的空间分布转化为并行信息载体，通过子区域表型直接输出3位二进制编码，实现多比特信息转换。这不仅加深了对梯度依赖群体行为的理解，也为动态空间编码提供了新方法，推动了生物计算中空间信息编码的发展。未来可通过优化梯度参数，进一步提升编码复杂度和可靠性，为发展新型生物计算空间编码系统提供理论支持。 论文信息 Spatially Coded Transformations in Gradient-Dependent Protocell Morphogenesis Shuqi Wu, Wei Ji, Mei Li, Stephen Mann, Liangfei Tian 本篇工作通讯作者为浙江大学的田良飞研究员。浙江大学博士生吴舒淇为该论文的第一作者。本研究得到了国家自然科学基金（32171302），浙江省重点研发计划（2022C03071），浙江大学百人计划，之江实验室开放研究项目（2022RD0AB01），中央高校基本科研业务费（226-2024-00059）和ICGEB研究资助（CRP/CHN21-04_EC）资金支持。 ChemSystemsChem DOI: 10.1002/syst.202400064
