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科研进展

转移是导致90%以上癌症病人治疗失败和死亡的原因。其中非小细胞肺癌（NSCLC）患者中约1/3会发生脑转移。与其他转移部位不同，脑转移需跨越血脑屏障，既影响肿瘤细胞的适应性，也限制治疗方案的选择。既往关于转移的基因组学研究，主要基于非配对原发和转移的肿瘤突变图谱比较。然而，这种研究策略难以鉴定原发灶中驱动转移的突变基因，同时难以解析转移的演化规律和适应性。因此，系统分析和比较同一病人的原发灶和多器官转移灶的基因组学，阐明转移器官趋向性的基因组学特征与演化规律，具有重要意义。近日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所胡政、广东省人民医院/广东省肺癌研究所钟文昭和中山大学肿瘤防治中心牟永告团队在Cell Reports在线发表题为“Deciphering genomic evolution of metastatic organotropism with 535 paired primary lung cancers and metastases”的研究论文。报道了对223例非小细胞肺癌基因组测序数据（共885个原发/转移配对肿瘤样品）的分析结果，揭示了不同转移部位的克隆起源、转移趋向性决定基因以及转移灶中观察到由杂合性丢失驱动的“早期驱动突变丢失”现象。文章上线截图原文链接：https://wwwcellcom/cell-reports/fulltext/S2211-1247(25)01220-3 首先，研究者通过整合团队自主数据和公共数据，构建了大规模的配对原发-转移全外显子组数据队列（图1），涵盖223个配对原发肿瘤、94个脑转移（BM）、39个远处颅外转移（ExM）和179个淋巴结转移（LNM）。图1 223例转移性非小细胞肺癌的原发-转移配对基因组数据集结果显示，原发与配对转移灶的肿瘤驱动突变总体高度一致，但有趣的是，与未转移的早期原发肿瘤相比，肺癌脑转移配对的原发肿瘤中富集PTPRD、FAT1等突变基因（图2A），且在原发阶段即呈更高的突变克隆性(图2B-D)，提示这些驱动基因可能在转移启动前已赋予器官转移趋向性。图2 （A）发生脑转移的原发灶vs早期肺癌的驱动突变基因比较;(B-C)驱动突变基因在不同原发灶（B）和转移灶（C）的相对丰度；（D）驱动突变基因的克隆性然后，研究者通过团队之前开发的转移克隆性计算框架，比较原发/转移灶中携带突变的肿瘤细胞比例（cancer cell fraction或CCF），解析了转移的克隆起源模式，即单克隆起源（monoclonal seeding）或多克隆起源（polyclonal seeding）（图3A）。单克隆起源指转移由原发灶中的单个细胞发起（“单兵作战”），而多克隆起源指转移由多个细胞发起（“团队协作”）。研究者发现多克隆起源在脑转移中相比于其他转移中相对较为普遍（图3B左），且药物治疗并不影响这一结果（图3B右）。该结果表明脑部的独特结构（例如血脑屏障）导致原发灶肿瘤细胞在转移过程中面临高强度的选择压力，造成了显著的瓶颈效应。图3 非小细胞肺癌不同转移灶的定植克隆性最后，在多例配对进化树中，研究者鉴定到转移灶通过特异性LOH而丢失原发阶段即存在的早期驱动突变，提示转移微环境可能对部分“原发适应性驱动”施加负选择，导致早期在原发部位获得的驱动突变在转移灶丢失（图4）。图4 杂合性丢失引起的的早期驱动突变丢失总之，该研究通过系统地分析不同转移部位、大规模原发-转移配对测序数据，揭示器官转移趋向性驱动基因突变在原发阶段即已存在，跨越血脑屏障的强瓶颈效应使脑转移倾向于以单克隆转移，而转移后又可能通过LOH“丢失”原发肿瘤获得的早期驱动突变。这些发现为肺癌脑转移风险预测和早期靶向干预提供了指导。中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所胡政研究员、广东省人民医院/广东省肺癌研究所所长钟文昭教授和中山大学肿瘤防治中心神经外科牟永告教授为本文共同通讯作者。中国科学院深圳先进技术研究院-澳门大学联合培养博士研究生解铎；中山市人民医院心胸外科主治医师、广东省肺癌研究所博士研究生唐文芳；同济大学附属上海市肺科医院蒋涛教授；中山大学肿瘤防治中心神经外科副主任医师段昊博士为论文的共同第一作者。该项研究成果获得国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳合成生物学创新研究院等项目的资助。

转移原发驱动肺癌克隆

肖雨 2025-10-20 17:42:32

科研进展

北京时间2025年10月6日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所高翔课题组与电子科技大学夏川课题组合作，在国际高水平学术期刊Nature Catalysis上发表了题为《Efficient and scalable upcycling of oceanic carbon sources into bioplastic monomers》的研究成果。团队率先提出并验证人工海洋碳循环系统：面向天然海水场景高效捕集CO2，电催化制备可进入生物制造的平台中间体，再经工程化微生物升级转化为高价值分子与材料。研究以可降解材料单体为示范，凸显“捕碳造物”的平台能力与可扩展性，为我国“蓝色经济”、双碳目标与绿色低碳技术创新提供新路径。文章上线截图文章链接：https://wwwnaturecom/articles/s41929-025-01416-4 海洋作为地球最大的碳汇，每年吸收逾四分之一人为排放的二氧化碳，是维系全球气候稳定和碳循环的重要天然缓冲器。然而，随着大气中二氧化碳浓度的持续上升，不仅加剧了气候变化，并且海洋因大量吸收二氧化碳而出现酸化现象，威胁海洋生态安全。如何把已入海的碳资源化并减缓酸化，是海洋治理与绿色制造的共同命题。此次研究团队自主研发电解装置，可在真实海水环境下连续稳定运行超过500小时，以较低的能耗高效捕获海水中的二氧化碳；所捕获碳源经电催化转化为高纯甲酸，再由工程化海洋微生物升级为琥珀酸等平台分子。以琥珀酸为例，团队完成了材料端示范（如可降解塑料PBS制备），用以验证从“海水捕碳—平台中间体—生物升级—终端应用”的端到端可行性；所获替代型生物化学品在性质上与石化同类一致，体现可持续的海洋碳资源利用路径。该研究验证了“以海治碳”的技术可行性，也为我国推进海洋碳汇资源化提供了范例。面向应用，随着技术优化与规模化推进，有望在近海实现“边捕碳、边产料”的一体化布局，带动绿色分子与材料产业发展，促进蓝色经济高质量增长。该工作紧扣“双碳”与“蓝色经济”方向，为气候治理、生态保护与绿色产业提供新方案，彰显了中国科研团队在全球绿色低碳科技创新中的担当与贡献。图1 |拟建的人工海洋碳捕集与循环利用系统。研究团队提出“人工海洋碳循环系统”的总体思路。该系统包括两个关键环节：首先，通过新型的电解装置直接从海水中捕集二氧化碳，有效避免了电极钝化和盐类沉积等问题，实现长期稳定运行；其次，将捕获的二氧化碳通过电化学与生物催化过程，转化为可替代化石工业来源的生物化学品。该路径贯通了从“海水捕碳”到“绿色分子与材料”的全链条，以可降解塑料单体为示范，凸显其在碳循环、资源利用和环境治理中的战略意义（图1）。图2 | 利用固态电解质电解槽从海水中捕集二氧化碳。研究团队开发了一种用于海水碳捕集的装置，并在结构设计与运行稳定性方面取得了突破。该装置能够以天然海水为原料实现连续二氧化碳捕集，在实际条件下稳定运行超过500小时，显著提升了系统的可靠性。实验结果显示，该装置的碳捕获效率超过70%，并可同步副产氢气；其捕获每吨二氧化碳的成本仅为2299美元，展现出潜在的经济竞争力。该成果不仅验证了直接利用天然海水实现持续“捕碳”的可行性，也为将海洋碳汇转化为绿色分子与材料、推动海洋经济发展提供了新的可能性（图2）。图3 | Bi-BEN 的结构表征。研究团队通过两步法成功合成了Bi-BEN（铋基金属有机框架衍生）催化剂。首先经溶剂热反应制备铋基金属有机框架材料，随后在电化学原位重构过程中形成由有机配体修饰的Bi纳米颗粒。通过单晶衍射、X射线吸收光谱等多种表征手段系统验证了其结构特征，确认了该催化剂材料在实际工况条件下的真实结构（图3）。图4 |Bi-BEN与Bi纳米颗粒的二氧化碳电还原性能及机理研究。研究团队系统对比了Bi-BEN与未修饰Bi纳米颗粒催化剂在二氧化碳电还原反应（CO2RR）中的性能差异。结果表明，Bi-BEN催化剂具有较高的催化活性和甲酸选择性，在720 mA cm-2的甲酸偏电流密度下仅需-137 V（相对于可逆氢电极）的过电位，并且稳定性得到明显提升。进一步结合原位光谱与理论计算分析发现，Bi-BEN 的优越性能源于有机配体对关键反应中间体HCOO*的稳定作用，从而协同提升了催化剂的活性、选择性和稳定性（图4）。图5|甲酸的电化学生产及其向琥珀酸的微生物转化。为验证依托海洋资源发展海洋经济、利用海水制造绿色材料的可行性，研究团队构建了电催化和生物催化的耦合过程，并以生物塑料为示例完成从捕碳到终端制品的贯通示范。首先，利用Bi-BEN催化剂并通过放大固态电解反应器获得高浓度的纯甲酸溶液，并在连续运行20天内保持稳定产出。随后，工程化的海洋细菌Vibrio natriegens（需纳弧菌）能够以甲酸为唯一碳源实现高效生长，并将其进一步转化为琥珀酸和乳酸。该“电催化+合成生物学”的耦合策略首次实现了海水碳捕集与生物塑料原料生产的衔接，形成面向多产物的通用平台，为跨学科融合提供了新范式（图5）。图6|利用由二氧化碳合成的甲酸进行琥珀酸的生物发酵。为验证以二氧化碳合成的甲酸作为唯一碳源生产琥珀酸的工业可行性，研究人员系统展示了完整的生产过程：通过碳同位素（13C）标记实验明确证实琥珀酸碳源来自甲酸；在1L与5L发酵罐完成从摇瓶到中试级的放大验证。过程中产生的乳酸产物亦具备材料与化学品价值，提示路线具备并联多产物潜力。结果表明，该系统具备实际放大与产业化可行性，标志着向“边捕碳、边产料”一体化模式迈出关键一步（图6）。图7 | 电催化+生物催化的集成系统。图8| 电催化+生物催化捕获海水中的碳用于合成多种塑料产品的示意图。该研究由中国科学院深圳先进技术研究院和电子科技大学等单位合作完成，电子科技大学博士生李成博为第一作者，中国科学院深圳先进技术研究院博士生郭明明为共同第一作者；夏川教授为最后通讯作者，高翔副研究员为共同通讯作者。项目负责人夏川教授和高翔副研究员表示：“我们希望通过这项技术，把海洋丰富的碳资源转化为绿色高价值产品，实现碳减排、资源利用和产业升级的多重目标。这也是我国落实碳达峰碳中和战略、建设海洋强国的重要科技支撑。”该工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、四川省杰出青年基金、广东省基础与应用基础研究基金和深圳市自然科学基金等项目的支持。通讯作者简介：高翔，博士生导师，中国科学院深圳先进技术研究院副研究员，中国科学院人才引进计划和广东省杰出青年入选者。实验室聚焦生物-非生物杂合体人工光合技术，融合生物催化和光/电化学催化的优势，创建超越自然功能的人工光合细胞工厂，开辟光/电能驱动CO₂合成产物的新路径，为解决粮食、能源和环境等问题提供创新解决方案。研究成果以第一和通讯（含共同）作者身份，发表在Nature Catalysis,Nature Chemistry, Nature Sustainability, Chemical Reviews等期刊；主持国家自然科学基金委青年科学基金项目（B类）和面上项目、中国科学院战略先导科技专项(B类)、深圳市重点项目等。

海洋 二氧化碳 研究生物海水

肖雨 2025-10-09 09:48:19

科研进展

基因剂量的变化在胚胎发育、疾病发生以及细胞命运决定过程中发挥着关键作用，其系统化解析对于精准理解生命过程至关重要。作为研究基因功能的核心策略，基因扰动近年来与单细胞组学的结合，使研究者能够在全基因组尺度上系统解析基因的功能，并为虚拟细胞等人工智能模型的构建提供了宝贵的数据支撑。然而，现有的大规模基因扰动技术大多将基因功能简化为“开/关”的二元模式，难以捕捉剂量依赖的连续效应。这种局限不仅削弱了对基因功能的全面理解，也可能在复杂生物学问题中引入不全面甚至错误的结论。 2025年10月3日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所陈万泽课题组与瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）Bart Deplancke课题组合作，在Nature Genetics发表了题为《Dissecting the impact of transcription factor dose on cell reprogramming heterogeneity using scTF-seq》的研究成果。团队开发了scTF-seq技术，实现了剂量敏感的大规模基因扰动单细胞组学，并以转录因子介导的细胞重编程为模型，系统揭示了基因剂量在细胞命运调控中未被充分认识的多层次、非线性复杂效应。文章上线截图原文链接：https://wwwnaturecom/articles/s41588-025-02343-7 图1:scTF-seq的原理图示为什么scTF-seq可以实现大剂量范围的基因扰动并定量？巧妙利用Tet-on启动子内在噪音和逆转录病毒基因组不同整合位置表达活性差异，进一步结合高滴度病毒转导的拷贝数差异（有别于传统大规模扰动中常用的低滴度方式）。这种设计使得即使单一Doxycycline浓度下，转基因的剂量也可以达到平均60倍，最高1000倍的极宽剂量分布。并结合3’scRNA-seq兼容的条形码，定量解析转录因子剂量与转录组变化之间的对应关系，从而首次在大规模基因扰动背景下实现了“剂量敏感”的功能解析。单基因的复杂非线性效应 scTF-seq揭示了转录因子剂量并非简单线性地影响细胞命运。例如，KLF4在不同剂量下分别驱动与骨骼形成、细胞结构组装或上皮发育相关的不同基因表达模式，表现出高度非线性的调控特征。这些复杂剂量效应为解释细胞重编程的异质性提供了重要线索。基因与其他细胞过程的互作研究还发现，基因剂量效应与细胞周期等其他细胞过程密切相关。CEBPA和PPARG在高剂量下促进细胞周期退出并推动脂肪分化，而MYCN则突破常规，在细胞持续增殖的同时驱动分化，但最终伴随细胞死亡。这揭示了基因剂量、细胞周期与分化过程之间的精细耦合关系。多基因互作的剂量敏感性图2: 两个转录因子之间协同-拮抗效应的剂量可逆性在组合扰动实验中，研究者发现不同转录因子的相互作用不仅取决于基因组合本身，还强烈依赖于基因剂量。同一对转录因子组合在不同剂量下可表现为可逆转的协同或拮抗作用，且这种效应具有基因特异性，进一步凸显了基因网络调控的复杂性。综上，该研究表明，基因剂量不仅决定单个基因的功能，还塑造了基因与细胞过程的互作格局，以及多基因间的协同与竞争关系。scTF-seq为系统性地解析这些剂量依赖效应提供了新方法，产生的基因定量扰动数据也为精准细胞工程和虚拟细胞模型构建提供了关键支撑。该工作由中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所和瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）合作完成，陈万泽研究员和Bart Deplancke教授为共同通讯作者，刘王杰（博士生）、Wouter Saelens（博士后）和Pernille Rainer（博士生）为共同第一作者。该工作获得了重点研发计划、国家自然科学基金委、深圳市医学研究专项和深圳合成生物学创新研究院等项目的支持。陈万泽博士现为中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所研究员，博士生导师，主要研究方向是通过新技术的开发，理解细胞命运决定机制并进行改造和干预，得到国家自然科学基金优秀青年项目，国家重点研发计划课题等重要项目的支持，相关成果以通讯和第一作者身份在Nature, Nature Genetics, Nature Cell Biology等期刊发表，被Nature Biotechnology, Nature Methods，Nature Immunology等多个杂志专文评述和高亮报道。欢迎感兴趣的博士后、博士生和研究助理加入！

剂量基因细胞效应扰动

肖雨 2025-10-09 09:37:44

科研进展

T细胞作为适应性免疫的关键角色，其激活依赖T细胞受体（TCR）对递呈抗原的精准识别与信号传递。这一过程的异常不仅会导致免疫缺陷，还与肿瘤免疫逃逸、慢性感染中T细胞耗竭密切相关。长期以来，TCR信号如何实现“精准启动”与“功能多样性”一直是免疫领域的关键科学问题。作为抗原受体，TCR的核心功能在于将多样的胞外抗原刺激信号转化为胞内信号，从而指导精确的T细胞免疫程序。它由一个抗原识别亚基TCRαβ和三个信号亚基CD3εδ、CD3εγ和CD3ζζ构成，其中四种CD3信号链的胞内区共含有10个免疫受体酪氨酸活化基序（Immunoreceptor activation tyrosine-based motif, ITAM），即20个可磷酸化的酪氨酸位点。这些位点如何通过磷酸化组合产生特异性的抗原信号，仍然是免疫学中的未解之谜。近期，多项冷冻电镜研究报道了TCR-CD3复合体结构，然而CD3胞内信号区信息由于其无序性和高度动态性而缺失。因此，填补这一知识空白对于完整地理解抗原免疫应答至关重要。 2025年10月2日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所施小山课题组、中国科学院分子细胞科学卓越创新中心许琛琦课题组与上海科技大学王皞鹏课题组合作，在Molecular Cell杂志上发表了题为“Lipid-regulated phosphorylation hierarchy of the T cell receptor tyrosine motifs”的封面研究论文。该研究利用核磁共振、定量质谱和细胞实验，解析了TCR-CD3复合物中关键信号亚基CD3ζ的胞内区结构以及磷酸化规律，揭示了正电基序（Basic residue Rich Sequence, BRS）与脂质相互作用在其中的关键调控机制，同时提出CD3ζ磷酸化不充分是T细胞功能耗竭的诱因之一，为合成免疫受体的理性设计提供了新思路。文章上线截图原文链接：https://wwwthelancetcom/journals/ebiom/article/PIIS2352-3964(25)00386-X/fulltext" >https://wwwcellcom/molecular-cell/abstract/S1097-2765(25)00746-4 CD3ζζ同源二聚体是TCR-CD3复合物的主要信号亚基，每条CD3ζ的胞内区含有3个ITAM，由此贡献了TCR中60%的可磷酸化酪氨酸位点。CD3ζ胞内区一直被用作嵌合抗原受体（CAR）的固定模块，启动其信号级联反应。为攻克“无序且动态”的CD3ζ胞内区在结构解析上的技术难题，研究团队采用模拟生理膜酸性磷脂环境的脂质双分子层（bicelle）系统，结合溶液核磁共振（NMR）技术，成功解析了CD3ζ胞内信号区的动态结构。CD3ζ的3个ITAM基序呈现“N端到C端梯度膜插入”的异质性——N端的ITAM1膜插入程度最浅，中间的ITAM2膜插入程度居中，而C端的ITAM3膜插入程度最深。值得注意的是，ITAM的膜插入水平主要由其邻近的BRS与脂质的相互作用调控，而非由ITAM自身序列决定。这一发现明确了CD3ζITAM结构异质性的分子基础。结构的异质性往往对应功能的特异性，研究团队进一步探究了ITAM膜插入差异对其磷酸化的影响。利用新型靶向定量质谱等技术，研究团队发现了脂质依赖的磷酸化顺序：在酸性脂质存在时，CD3ζ的3个ITAM呈现N端到C端的“顺序磷酸化”——ITAM1磷酸化最快，ITAM2次之，ITAM3最慢；而在中性脂质环境中，这种顺序性完全消失。这一结果表明，脂质通过调控ITAM的膜插入深度，直接决定了其被LCK激酶（TCR信号关键激酶）磷酸化的效率：膜插入浅的ITAM更易被激酶接触，磷酸化更快；反之则更慢。为进一步验证这一机制，研究团队突变了CD3ζ的BRS基序，破坏ITAM的膜插入梯度，磷酸化的顺序性也随之瓦解。这些结果证实了“BRS-lipid”的静电相互作用是CD3ζ顺序磷酸化的核心驱动因素。 TCR信号的精准调控不仅关乎生理免疫应答，更与病理状态（如肿瘤、慢性感染）下的T细胞耗竭密切相关。研究团队进一步探究了慢性TCR刺激（模拟肿瘤微环境或慢性感染）对CD3ζ磷酸化的影响。结果表明：T细胞在耗竭过程中CD3ζ的磷酸化模式发生显著改变——C端的ITAM3的磷酸化衰减速度远快于N端的ITAM1，这导致细胞中积累大量“部分磷酸化”的CD3ζ，进而引发TCR信号不足。慢性刺激过程中ATP耗竭是这一异常的关键原因，因为ATP不足使得膜插入程度高的酪氨酸不容易获得磷酸化。这一发现为T细胞耗竭机制提供了新解释：即除了免疫检查点分子（如PD-1、LAG3等）外，TCR自身的磷酸化不足也是T细胞功能异常的重要原因。在多种人类肿瘤中，T细胞耗竭与TCR信号不足具有明确的相关性。图1 CD3ζ信号区的膜结合结构及其磷酸化层级性综上所述，该研究通过生物物理学、生物化学和免疫学的多学科交叉，解析了CD3ζ胞内区在生理酸性膜环境中的动态结构，阐明了静电调控的ITAM的顺序磷酸化规律，发现了T细胞耗竭的新机制，为免疫治疗提供了新思路。中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所施小山研究员、中国科学院分子细胞科学卓越创新中心许琛琦研究员以及上海科技大学王皞鹏研究员为该论文的共同通讯作者。分子细胞科学卓越创新中心李华副研究员、孟丽博士、深圳先进技术研究院褚纯博士、分子细胞科学卓越创新中心李昌庭、杨皓晨为该论文的共同第一作者。本研究获得了深圳合成生物研究重大科技基础设施和深圳合成生物学创新研究院公共技术平台提供的技术支持，特别是质谱平台在数据采集过程中的专业支撑。该论文被选为封面故事：六孔长笛象征含六个酪氨酸磷酸化位点的CD3ζ。正如不同的笛子孔位组合可产生各种音调，不同的CD3ζ磷酸化组合也能产生多样化的信号输出，从而决定抗原免疫应答的特异性。封面插画由许琛琦课题组的张雨萌同学创作。

CD 磷酸信号 ITAM 细胞

肖雨 2025-10-09 09:34:50

科研进展

9月18日，中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室、合成生物学研究所合成微生物组学研究中心马迎飞团队，联合南方科技大学医院重症医学科潘勇军团队、深圳大学总医院呼吸科柏长青团队以及深圳市人民医院重症医学科刘雪燕团队，在《柳叶刀》旗下转化医学领域重要期刊eBioMedicine（医学1区，IF=108）上发表了一项题为“Efficacy of Precisely Tailored Phage Cocktails Targeting Carbapenem-Resistant Acinetobacter baumannii Reveals Evolutionary Trade-offs: a proof-of-concept study”的研究论文。文章上线截图原文链接：https://wwwthelancetcom/journals/ebiom/article/PIIS2352-3964(25)00386-X/fulltext 传统噬菌体疗法面临两大关键挑战：其一，致病菌株具有高度多样性，需采用个性化策略——即从患者体内分离并鉴定耐药菌株，进而筛选相匹配的敏感噬菌体以制备个体化制剂；其二，治疗过程中细菌易发生快速变异，产生噬菌体抗性，导致初始治疗方案失效，需重新筛选有效噬菌体。整个过程耗时较长，难以满足临床高效诊疗的迫切需求。针对上述问题，研究团队发现临床中最流行的鲍曼不动杆菌菌株属于荚膜类型2（KL2）。基于这一流行特征，他们利用迭代噬菌体适应性筛选策略（iterative Phage Adaptive Selection, iPAS），成功构建了一种固定配方噬菌体鸡尾酒制剂——ABCK2，可有效应对KL2型菌株及其可能产生的抗性。实验结果显示，891%的KL2型菌株对ABCK2敏感，而其余109%产生抗性的菌株则表现出细胞毒性显著减弱和抗生素敏感性增强的进化权衡现象。在后续临床应用中，研究团队使用ABCK2成功清除了两例患者肺部感染的KL2型鲍曼不动杆菌，展现出良好的治疗效果。该研究不仅验证了基于流行菌株分型精准设计固定配方噬菌体鸡尾酒的可行性与有效性，也为理解噬菌体-宿主共进化关系提供了关键证据。成功的临床案例突显了ABCK2在治疗多重耐药菌感染中的应用潜力，为推进下一代噬菌体疗法的临床转化奠定了重要基础。一、耐碳青霉烯类鲍曼不动杆菌的全球威胁与噬菌体治疗新契机在中国，耐碳青霉烯类鲍曼不动杆菌（carbapenem-resistant Acinetobacter baumannii，CRAB）的检出率高达60%-70%，其感染所致的临床后果极为严重。研究显示，CRAB血流感染病死率超过60%。由于CRAB具有高致死率与快速传播的特点，它已被世界卫生组织（WHO）列为“最紧迫威胁”级别的耐药病原体，对全球公共卫生构成严峻挑战。在此背景下，能够特异性感染并裂解细菌的噬菌体疗法，近年来被视为对抗耐药菌的新希望。二、KL2型CRAB在广东及全国的流行研究团队从深圳、广州及中山等地的多家医院共采集138株临床分离CRAB，其中荚膜2型（KL2）菌株占比最高，为333%。同时，结合两项全国流行病学研究的896株菌株基因组分析发现，KL2型在全国范围内的占比仍高达177%（图1）。这提示KL2型CRAB不仅在广东高发，且已在全国范围内广泛流行。图1：广东地区、全国范围内鲍曼不动杆菌荚膜谱系三、噬菌体鸡尾酒ABCK2的研发突破尽管噬菌体能够裂解细菌，但细菌同样会进化出对噬菌体的耐药性。例如，KL2型CRAB菌株NAB01B在暴露于噬菌体组合ABCK1后，仅8小时内便出现抗性。为应对这一问题，团队采用迭代适应性筛选（iterative Phage Adaptive Selection, iPAS）策略，使用耐药菌株分离并筛选出杀伤力更强的噬菌体，构建了新的噬菌体鸡尾酒组合ABCK2。在体外实验中，ABCK2能在25小时内完全抑制NAB01B的生长，且未检测到噬菌体抗性（图2）。图2：噬菌体迭代适应性筛选策略四、噬菌体抗性株特征分析与ABCK2的广谱抑制性在ABCK2研发过程中所分离的实验室抗性株表现出高度一致的特性：对部分抗生素重新敏感以及毒力减弱等（图3）。这些变异主要集中在细菌荚膜合成基因座（KL）与脂寡糖合成基因座（OCL）（图4），表明获得噬菌体抗性会伴随显著的“适应性代价”。在46株临床KL2型CRAB中，有891%对ABCK2高度敏感；其余菌株虽不敏感，但伴随毒力减弱（图5），进一步凸显了ABCK2在临床应用中的潜在价值。图3：噬菌体抗性株对抗生素再敏感、毒力下降图4：噬菌体抗性株的基因突变位点图5：KL2型临床CRAB分离株对ABCK2的敏感性及抗性菌生物膜形成能力、对免疫系统抵抗力下降五、快速分型与两例成功救治案例研究团队发现，检测特征基因pgt1与gtr3可快速鉴定KL2型CRAB。患者通过此快速分型确诊后，经南方科技大学医院伦理委员会审批及家属知情同意签字，立即接受ABCK2雾化吸入（图6）。患者接受ABCK2治疗后24小时后痰培养阴性，随访4个月无复发，疗效显著。图6：KL2型CRAB的快速鉴定及临床应用六、前景展望：精准噬菌体策略的临床化与规模化 ABCK2的研发与应用，验证了基于流行株型精准定制噬菌体鸡尾酒策略的可行性，并为噬菌体与细菌的共同进化研究提供了实证。从临床救治到大样本体外抑菌实验，ABCK2对KL2型CRAB均表现出广谱且持久的抑制效果，且抗性株毒力明显减弱。未来，ABCK2有望作为一种固定配方的临床储备制剂，结合快速分子检测，实现“快速诊断—精准用药”的闭环治疗模式。该模式既可提升耐药感染治愈率，又为噬菌体疗法的规范化、规模化奠定基础，为应对全球抗生素耐药危机具有重要意义。中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室、合成生物学研究所合成微生物组学研究中心马迎飞研究员、谭新副研究员和南方科技大学医院潘勇军主任医师为文章的通讯作者。中国科学院深圳先进技术研究院与澳门科技大学联合培养博士生刘自强和中国科学院深圳先进技术研究院谭新副研究员为文章的共同第一作者。该研究得到了国家重点研发计划、深圳市医学研究专项资金、深圳市科技计划以及深圳合成生物学创新研究院等项目的支持。

噬菌体 ABCK 临床 KL 抗性

肖雨 2025-09-18 18:36:08

科研进展

细菌如何在复杂多变的环境中做出精确的基因调控决策？传统的基于振幅调制（AM）的信号处理方式能否满足细菌多基因协调表达的需求？这些关于细胞信息处理机制的根本性问题，一直是研究者们亟待解决的重要课题。 9月15日，中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室、合成生物学研究所金帆团队联合中国科学院成都文献情报中心杨帅团队在Nature Physics期刊发表题为“Decoding frequency-modulated signals increases information entropy in bacterial second messenger networks”的研究成果。团队发现：细菌能够通过频率调制（FM）信号解码机制，在三基因调控系统中将信息熵相比传统振幅调制提升约2个比特，实现了对多基因系统更加精细的调控。该研究建立了细菌频率信号处理（Frequency Amplitude Converter, FAC）的完整物理学框架，揭示了自然界中广泛存在的振荡信号背后的数学原理，为合成生物学电路设计开辟了新的维度。文章上线截图原文链接：https://wwwnaturecom/articles/s41567-025-03030-4 在此前发表的“揭示细菌信号传递的定量规律，助力人工合成细胞生命设计”成果中（https://mpweixinqqcom/s/VKFWHAdBJm5DuKPYK7iH1Q），金帆团队已经揭示了细菌cAMP二级信使系统具有约40 bits/h的信息传递上限，并发现了最优频率的存在。然而，一个关键问题仍未得到解答：细菌是如何解码这些频率编码的信号，并将其转化为精确的基因表达模式的？现有的合成生物学主要依赖振幅调制策略，从开关电路到振荡器和逻辑门，都基于信号强度的变化来控制基因表达。然而，自然界中普遍存在的振荡现象——从钙离子振荡到转录因子动态调节，再到激素分泌模式——暗示着频率调制可能是一种更加普遍和高效的信息编码方式。这种现象与工程合成系统之间的巨大差异，凸显了研究人员对细胞时间动态处理机制理解的不足。研究团队在铜绿假单胞菌中重构了简化的cAMP信号传递通路：使用光控合成系统替代了内源性cAMP合成机制，并用组成型启动子替代了CpdA磷酸二酯酶和效应蛋白Vfr的天然启动子，建立了一个可精确控制和定量监测的频率解码信号系统（Frequency-Decoding cAMP Circuit,FDCC）。通过严格的时间尺度分析，研究团队发现FDCC系统具有天然的分层信号处理特征：波形转换器（M1）：在秒到分钟时间尺度上操作，将周期性光输入转化为cAMP浓度的锯齿波模式；阈值滤波器（M2）：在毫秒到秒时间尺度上操作，通过Vfr-cAMP复合物的协同结合实现浓度依赖的启动子激活；积分器（M3）：在分钟到小时时间尺度上操作，将动态频率信息转化为稳态蛋白浓度。图 1多层级的频率解码信号系统（Frequency-Decoding cAMP Circuit, (FDCC)）研究团队开发了两个互补的理论框架：详细的化学反应网络（CRN）模型和解析理论分析模型。通过数学分析，团队推导出了系统稳态行为的闭式表达式，揭示了一个关键的无量纲阈值参数s*，该参数控制着高通和低通滤波行为之间的相变。理论分析表明，系统的频率选择性主要由阈值设置决定：高阈值设置产生低通FAC配置，优先传输低频信号；低阈值设置建立高通FAC配置，完整传输高频信号而衰减低频信号。图 2FAC的理论解析与分析为了系统验证理论预测，研究团队依托深圳合成生物研究重大科技基础设施建立了集成四个核心功能模块的自动化实验平台：可编程光信号控制、细菌培养摇动、自动化溶液处理和荧光测量。该平台能够并行测试n×96个实验样本，同时对各个孔板进行独立的光信号参数控制。通过连续稀释培养维持稳定的生长速率，防止生长阶段转换导致的蛋白浓度波动，同时自动荧光测量实现系统性数据收集。平台验证显示出色的稳定性和重现性，在12小时以上的实验期间，96个平行样本的光密度维持在009±001。图 3依托深圳合成生物研究重大科技基础设施的自动化实验平台研究团队系统分析了频率调制对多基因系统信息熵的影响。在二基因系统中，仅振幅调制可访问19个不同状态（约425比特信息熵），而引入频率调制后，系统可访问38个不同状态（约525比特）。更令人瞩目的是，在三基因系统中，振幅调制的信息熵约为475比特，而频率-振幅联合调制的信息熵达到约657比特，增益约182比特，相当于将可区分的表达状态数量增加了近四倍。数学分析揭示了不同的标度关系：振幅调制下信息熵按HAM ∝08 log₂(n)标度，而频率调制使信息熵按HFM ∝20 log₂(n)标度，其中n代表受调控基因的数量。图 4多基因调控系统（左：二基因系统；右：三基因系统）的频率调控对信息熵的增益本研究与之前发表的成果协同构建了细菌二级信使系统信息处理的完整物理框架。如果说前一篇论文回答了细胞“如何编码”的问题——揭示了细胞通过频率调制编码信息并确定最优传输频率的机制，那么本篇论文则解答了“如何解码”的关键问题——阐明了频率解码的物理机制如何扩展细胞决策的可访问状态空间。两篇论文的有机结合，为理解时间信号编码如何实现多维基因表达调控提供了从编码到解码的完整物理原理。这一理论突破具有深远的应用意义。通过揭示频率调制信号处理的底层物理原理，研究为构建具有增强计算能力和更精细响应机制的合成电路提供了坚实的理论基础和可操作的设计原则。更为重要的是，研究发现的频率调制信息传递优势为解释自然界的普遍现象提供了新的视角。细胞环境中振荡信号的广泛存在——从钙离子振荡到转录因子动态天界——可能都遵循着频率调制的物理规律。这些自然界普遍观察到的动态信号响应行为，很可能都在利用频率调制机制来协调大型调节子的表达，从而实现个体蛋白动态与基因组尺度表达模式的精妙连接。因此，这项研究不仅从根本上深化了我们对细菌信号处理机制的理解，更重要的是为合成生物学开辟了一个全新的设计维度——基于时间动态的频率调制控制策略。中国科学院深圳先进院研究员金帆与中国科学院成都文献情报中心副研究员杨帅为本论文的通讯作者。深圳先进院副研究员张荣荣、深圳先进院博士研究生万盛杰为本论文的共同第一作者。本研究得到了中国国家重点研发计划、中国科学院先导计划、国家自然科学基金、深圳市治疗性合成微生物工程研究中心、深圳合成生物学创新研究院以及成都文献情报中心创新基金的支持，这些资助为研究的顺利开展提供了重要保障。

频率研究信号调制系统

肖雨 2025-09-16 09:55:40

媒体关注

8月29日，深圳市七届人大常委会第四十次会议表决通过《深圳经济特区促进合成生物产业创新发展若干规定》，为深圳抢抓全球生物技术与产业发展机遇，抢占合成生物产业发展主动权提供法治保障。

深圳产业发展生物合成

肖雨 2025-09-09 16:16:21

科研进展

阿卡波糖是治疗2型糖尿病的一线药物，但其疗效常被肠道细菌中的“阿卡波糖杀手”——阿卡波糖糖苷水解酶（Apg）破坏。近日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所客座研究员/南京师范大学教授周佳海团队及其团队副研究员古阳，联合西北农林科技大学教授张继文团队等，在《Nature Communications》发表题为“Molecular insights of acarbose metabolization catalyzed by acarbose-preferred glucosidase”的最新研究成果，利用X射线晶体学、计算模拟和生化实验结合，深入解析了Apg水解阿卡波糖的精细分子机制（图1），为设计新一代抗降解、更高效的降糖药物提供了关键的结构蓝图。文章上线截图原文链接：https://doiorg/101038/s41467-025-62855-y 图1 Apg催化水解阿卡波糖的机制一、阿卡波糖的困境：个体差异与耐药性阿卡波糖作为一种“伪四糖”，主要通过抑制肠道α-葡萄糖苷酶延缓碳水化合物吸收来降糖。它具有全身副作用少的优点，但临床应用中存在显著的个体疗效差异和长期用药后的耐药性问题。近年中国科学院分子植物科学卓越创新中心姜卫红团队与合作者研究发现（Nat Metab, 2023, s42255-023-00796-w），克雷伯氏菌属(K grimontiiTD1)中的Apg酶是导致阿卡波糖失效的关键“元凶”。它能高效降解阿卡波糖为acarviosine-glucose（M1）和acarviosine（M2），从而破坏其药效（图2）。然而，由于缺乏酶-底物/产物复合物的精确结构信息，导致该酶动态催化过程的分子机制仍不明晰，限制了糖尿病治疗的优化及抗糖尿病药开发。解析Apg独特的催化机制将有助于抗糖尿病药物的设计。图 2 由Apg介导的阿卡波糖降解途径二、锁定“杀手”：Apg的结构与特性 Apg属于糖苷水解酶家族13_21 (GH13_21)，通常负责水解α-1,4-O-糖苷键。但其独特之处在于能有效水解结构复杂的阿卡波糖。研究解析了Apg的高分辨率晶体结构（图3）：（1）Apg在溶液中以同源二聚体形式存在，单体间通过N端结构域和催化结构域呈头尾排列。（2）催化结构域采用经典的TIM桶折叠，活性位点是位于TIM桶顶部的一个突出表面凹槽，凹槽底部有一个绝对保守的催化三联体（Asp-Glu-Asp）。（3）与其他淀粉酶（如MaIZ, MaIS）相比，Apg的活性口袋裂隙更窄（79 Å），能紧密结合阿卡波糖，计算也显示其对阿卡波糖的结合亲和力更高。（4）结合生化实验、晶体结构和计算分析，发现两个关键的柔性环（loop A和loop B）不仅影响底物结合还决定其催化能力。图 3 Apg的总体结构示意图三、重要发现：Apg催化机制的关键角色通过分析Apg与阿卡波糖及其水解产物（M1, M2）的复合物晶体结构，结合定点突变和计算模拟（QM/MM, MD）（图4），研究揭示了催化机制的核心要素，并推翻了之前的假设：真正的“攻击手”——亲核试剂：以往认为D336是亲核试剂，但本研究确凿证明D448才是关键的亲核试剂。首先，定点突变显示D448N变体完全丧失催化活性。其次，D448N突变体能紧密结合阿卡波糖，其复合物结构显示D448N的羧基氧（OD2）距离阿卡波糖被攻击的C1原子（42 Å）比D336的羧基氧（50 Å）更近。同时，密度泛函理论（DFT）计算显示D448 OD2携带更强的负电荷（-049 vs D336的-012），亲核性更强。进一步的QM/MM计算证明D448作为亲核试剂的能垒（171 kcal/mol）远低于D336（267 kcal/mol）。最后，D448E突变能部分恢复活性（15%），支持其羧酸侧链直接参与催化。双“供水者”——质子供体：除了之前已知的E373作为质子供体外，还揭示R334也是重要的质子供体。定点突变显示，E373A和E373Q突变保留部分活性，暗示存在其他质子供体。双重突变E373A/R334A导致活性完全丧失，证明R334是关键的替代质子供体。进一步的QM/MM结果支持R334作为质子供体，其反应能垒略高于E373。 “稳定器”——D336：D336A突变保留了约48%的活性，其复合物结构显示它主要通过与底物形成氢键来稳定过渡态或底物构象，而非直接作为亲核试剂。图 4 Apg 的复合物结构及突变酶活分析。（A）Apg 活性位点腔内底物阿卡波糖的示意图。（B）Apg(D448A)-阿卡波糖的复合物结构（PDB ID：9IVZ）。（C）Apg(D336A)-M1的复合物结构（PDB ID：9IZE）。（D）Apg(D336A)-M2的复合物结构（PDB ID：9IZO）。（E）Apg(D448A)-阿卡波糖复合物（PDB ID：9IVZ）（残基为粉色）与突变体 Apg(D448A)（PDB 编号：9IXH）的结构叠加（残基为白色）。（F）Apg 活性位点上残基的诱变实验。四、水解路径揭秘：两步反应，一步限速阿卡波糖被Apg水解的最终产物是二环的M2。关于M2是如何产生的，存在疑问：（1）是阿卡波糖直接一步水解成M2和麦芽糖？计算模拟（QM/MM）显示此路径能垒极高（369 kcal/mol），且实验中未检测到麦芽糖副产物，排除了此可能性。（2）还是分步水解？晶体实验观察到将Apg与中间产物M1孵育可生成M2。结合动力学和热力学分析发现，Apg对阿卡波糖的亲和力远高于对M1。进一步的自由能计算发现，Apg-阿卡波糖复合物的结合自由能（-205 kcal/mol）显著低于Apg-M1（-138 kcal/mol）。QM/MM计算显示，从M1水解到M2的能垒（197 kcal/mol）高于从阿卡波糖水解到M1的能垒（171 kcal/mol）。因此，阿卡波糖被Apg水解是一个明确的两步过程：第一步为阿卡波糖→M1+葡萄糖（相对较快），第二步为M1→M2+葡萄糖（此步是限速步骤，较慢）。图 5 Apg催化阿卡波糖水解反应的两步过程五、耐药类似物的启示：结构差异决定命运研究还利用解析的Apg结构，对已知对Apg具有抗性的阿卡波糖类似物——acarstatins A和acarstatins B进行了计算分析。分子动力学模拟显示，它们也能结合在Apg活性腔内。但关键差异在于，它们分子中水解位点C1原子与亲核试剂D448 OD2的距离比阿卡波糖中的距离更远，使得D448难以有效攻击其糖苷键。进一步的QM/MM计算证实，水解acarstatinsA/B的活化能垒高于阿卡波糖。这为设计抗Apg降解的新药提供了直接线索：通过修饰改变底物关键原子与催化残基（特别是D448）的空间距离或相互作用。图 6Apg-acarstatinsA/B复合物的距离特征分析综上，本文通过晶体结构解析、生化实验以及理论计算对Apg催化阿卡波糖水解反应机理进行了深入研究。揭示了Apg水解阿卡波糖的真实分子机制（D448为亲核试剂，E373/R334为质子供体，D336为稳定剂，两步水解且第二步限速），为糖尿病药物的设计与开发提供结构方面的见解，包括延长糖链的长度以增强其对抗Apg水解的能力，或者对阿卡波糖的结构部分进行选择性修饰以降低其结合亲和力。基于以上结构见解，对下一代阿卡波糖类似物的研究正在进行中。本文的通讯作者为中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所客座研究员/南京师范大学教授周佳海、团队副研究员古阳，以及西北农林科技大学教授张继文。第一作者为中国科学院深圳先进技术研究院与西北农林科技大学联合培养已毕业博士研究生黄嘉咏。中国科学院深圳先进技术研究院助理研究员谌庄琳博士对于理论计算部分做出了重要贡献。感谢中国科学院深圳先进技术研究院助理研究员王兰腾博士在晶体解析方面的付出。感谢中国科学院深圳先进技术研究院与中国农业大学联合培养已毕业硕士研究生肖小云的付出。该工作受到广东省科技计划项目、国家自然科学基金项目、深圳市科技计划项目以及深圳合成生物学创新研究院等项目的资助。衷心感谢上海光源和国家蛋白质科学研究（上海）设施生物大分子晶体学线站BL18U1、BL19U1工作人员在数据收集方面的大力协助！

Apg 阿卡波 结构水解催化

肖雨 2025-08-28 18:17:06

科研进展

弧菌是南美白对虾养殖的主要病原体，其中副溶血弧菌、溶藻弧菌和哈维氏弧菌等致病菌危害尤为严重。弧菌感染后的对虾可能出现肝胰腺坏死、空肠空胃、红体白斑、偷死等症状。若发生急性感染，3-5天内死亡率可超过80%，常导致大规模死亡甚至被迫清塘，造成对虾养殖业重大损失。 8月16日，中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室、合成生物学研究所马迎飞团队，在国际学术期刊《npj Biofilms and Microbiomes》（中国科学院1区top期刊，最新 IF=92）发表了题为“Synergistic effects of commensals and phage predation in suppressing colonization by pathogenic Vibrio parahaemolyticus”的研究成果。该研究由马迎飞团队与澳华集团共同推进，双方历经5年深入产业化合作，围绕南美白对虾弧菌病害防控的实际需求展开联合攻关。研究通过多组学联合分析和体内外模型验证，锁定南美白对虾肠道内“共生菌屏障”与“噬菌体精准靶向”两大核心机制，首次提出“共生菌-噬菌体协同防控”策略。研究团队基于关键肠道共生菌构建了合成菌群，联合副溶血弧菌噬菌体，将遭受弧菌感染的对虾存活率从23%提升至69%，这一绿色、精准、可预防的微生态干预方案，为替代抗生素、防控南美白对虾弧菌病害提供了新范式。文章上线截图原文链接：https://wwwnaturecom/articles/s41522-025-00802-x 研究发现：肠道共生菌构建对虾弧菌防御屏障研究团队从健康对虾肠道中分离12株可培养菌株，构建合成菌群Com12。实验发现，单独添加致病性副溶血弧菌VP6会导致对虾死亡，加入Com12后对虾存活率得到一定程度的提升；而当共生弧菌VA3与Com12协同作用时，则可进一步增强VP6感染状态下对虾的生存能力（图1a&b）。这表明肠道共生菌可显著提升对虾抗病能力。图1 致病弧菌和共生菌对南美白对虾存活率的影响精准干预：基于共生菌-噬菌体协同的弧菌防控策略体外实验表明，在共生菌群Com12生长初期，其菌群结构尚不稳定，此时致病弧菌VP6表现出较强的竞争优势，能够迅速占据菌群的主要生态位（图 2），而此阶段Com12自身的防御机制尚不足以抵御其入侵。图2 致病弧菌对共生菌群Com12结构的影响为增强菌群生长初期的防御能力，研究团队将共生菌VA3和VP6phageC（VP6特异性裂解噬菌体）引入Com12体系，系统评估了三者与VP6的互作关系。结果显示，单独添加VA3或VP6phageC均可显著降低VP6在菌群中的丰度（图3左、中）。而VA3与VP6phageC联合处理时，二者产生协同效应，对VP6定植的抑制效果显著优于单独处理组（图3右），证实噬菌体与细菌定植抗性存在协同增效作用。图 3 共生菌、噬菌体和致病弧菌 VP6的动态关系为验证抑菌效果是否受共生菌和噬菌体加入时机的影响，研究团队设计了时间梯度实验。当单独使用噬菌体VP6phageC时，其抑制效果随添加时间推迟而减弱，延迟6小时后添加几乎无法逆转VP6的定植优势（图4a）。而当VA3与噬菌体联用时，VA3能在噬菌体完成“杀菌”过程后快速“占位”（占据生态位），形成连续防御体系（图4b）。值得注意的是，即使在联合处理条件下，延迟6小时处理的防控效果仍显著低于2小时内的早期处理组。当致病弧菌VP6的入侵时间推迟至Com12菌群发育2、6、12及24小时后，即使不添加VA3与VP6phageC，成熟的Com12菌群结构已能独立抵抗VP6入侵（图4c）。上述研究表明，噬菌体裂解捕食作用与共生菌定植抗性的协同组合可构建高效防御体系，且在VP6定植前的预防性应用效果显著优于定植后的治疗性干预。图 4 介入时机对共生菌 - 噬菌体组合清除致病弧菌 VP6 效果的影响应用验证：协同策略的弧菌防控效能研究团队通过体外条件培养体系（图5a）结合对虾攻毒实验（图5b），从13株共生菌（12+1）中筛选出4株关键功能菌株（Com4）。图5 共生菌中抑制致病弧菌VP6生长的关键菌筛选养殖环境模拟实验显示：单独使用噬菌体干预时，能在一定程度上降低两个关键环节的致病弧菌密度：养殖水体中游离VP6在5天内降至检测限以下；对虾体内VP6载量较对照组降低3个数量级（图6a、b、c），相应地对虾的病理状态得到好转（图6e）。与体外实验中 “共生菌-噬菌体” 的协同效果一致，当噬菌体与共生菌Com4联合使用时，清除致病弧菌的速度比单独使用噬菌体更快：水体中弧菌在感染后3天就降至检测下限（比单用噬菌体组提前2天）；对虾肠道内的弧菌数量也比单独使用噬菌体组再降低1个数量级。更重要的是，该策略还能增加对虾肠道菌群的多样性，更利于形成稳定的肠道微生态屏障。图6 噬菌体与共生菌 Com4 对南美白对虾致病弧菌（VP6）的防控效果前景展望：推动全球对虾养殖可持续发展弧菌病害每年给全球对虾养殖业造成超过30亿美元的经济损失。面对日益严峻的抗生素耐药性问题，本研究提出的“共生菌-噬菌体协同防控”策略通过建立“杀菌-占位”双重作用机制，将感染对虾的存活率从23%提升至69%，展现出显著应用效果。另外该方案具有预防性干预、生态安全性高和可操作性强三大特点，为对虾养殖提供了一种可替代抗生素的新型绿色防控技术，将为健康养殖的可持续发展提供重要技术支撑。中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室、合成生物学研究所马迎飞研究员为本文通讯作者。哥本哈根大学博士陈玲、中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所助理研究员黄志鹏为本文共同第一作者。本研究得到了国家重点研发计划、深圳市医学研究基金、“地平线欧洲”计划、丹麦创新基金及深圳合成生物学创新研究院等的支持。

VP 对虾 噬菌体 共生研究

系统管理员 2025-08-19 13:18:33

科研进展

研究背景与意义肿瘤微环境是一个高度异质的复杂系统，除癌细胞外，还包含免疫细胞、基质细胞等多种非癌细胞。它们在空间上的分布及其相互作用，不仅塑造了肿瘤的发生发展过程，也深刻影响了患者对治疗的响应。近年来，免疫治疗在部分癌症中取得积极进展，但在多数实体瘤中，仍面临免疫细胞浸润受限和局部免疫抑制等难题，严重制约了其疗效的进一步提升。因此，定量解析组织切片中的细胞空间分布信息、深入理解免疫细胞的运动行为特征等，是推动实体瘤精准诊疗的重要方向。随着活细胞成像、转录组测序和深度学习等技术的快速发展，研究者开始从空间分布和时空动态两个层面，定量刻画肿瘤微环境中的细胞空间分布与功能。然而，当前研究仍面临两大挑战：一是尽管已有研究利用深度学习解构病理图像中细胞的类型与空间位置，但领域内尚缺乏可解释、可量化的细胞空间分布特征以定量刻画肿瘤微环境并建立其与肿瘤进展之间的关联；二是尽管已有研究揭示了杀伤性T淋巴细胞的运动特征，但对其与癌细胞相互作用过程中的运动行为的模式变化以及二者共演化机制的理解仍不清晰。针对上述问题，中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室/合成生物学研究所李雪飞研究员团队，联合北京医院/国家老年医学中心、松山湖材料实验室等多家临床与科研单位，分别从免疫细胞的时空动态行为与组织病理图像的空间结构两个维度开展系统研究，通过实验/临床数据定量分析与物理建模相结合的方法，一方面在体外构建的肿瘤微环境中，系统揭示了抗原特异性T细胞在共培养条件下的导航策略与肿瘤细胞免疫逃逸机制（发表于Communications Biology），另一方面，利用深度学习所识别出的细胞类型与空间位置，定义并发现了对肝癌患者病情进展具有预测价值的肿瘤空间生物标志物（发表于The Journal of Pathology: Clinical Research）。相关研究为理解肿瘤微环境的演化规律、提升患者对于癌症治疗的响应等提供了理论与数据支撑。一、揭示抗原特异性T细胞在肿瘤共培养环境中的导航策略与肿瘤免疫逃逸机制（Communications Biology） 7月31日，李雪飞研究团队联合松山湖材料实验室生物界面韩伟静副研究员、中国科学院物理研究所李明研究员在Communications Biology上发表了题为“Deciphering antigen-specific T cell navigation tactics and cancer immuneevasion in co-cultures”的研究论文（图1）。该工作定量刻画了抗原特异性T细胞在多肿瘤团簇共培养环境中准二维平面上的运动行为，提出了T细胞运动和聚集的关键机制，并发现了癌细胞在与T细胞相互作用过程中逐步形成的免疫逃逸现象。图1 文章上线截图（全文链接：https://doiorg/101038/s42003-025-08568-w） 1 构建25D共培养体系，捕捉免疫行为的时空动态研究团队搭建了一个多癌团簇的25D体外共培养体系，结合活细胞延时成像、细胞轨迹定量分析、计算建模与转录组测序（包括bulk和单细胞RNA测序）（图2），系统地研究了肿瘤抗原特异性T细胞在肿瘤团簇周围的运动模式。图2 研究分析流程概览 2 实验结合计算建模，揭示T细胞搜寻策略与聚集的关键机制研究发现，相比于非特异识别组，抗原特异性T细胞在共培养条件下表现更长的癌细胞驻留时间（dwell time）（图3）和更强的运动方向持续性（directional persistence）。功能实验进一步表明，阻断CXCR3-CXCL9/10信号通路（使用拮抗剂ACT-660602）可显著削弱T细胞的方向持续性迁移能力，降低其在肿瘤团簇上的富集密度和杀伤效率。这一结果暗示该通路在调控T细胞迁移和抗肿瘤应答中具有潜在的干预价值。图3 定量解析共培养体系中T细胞运动模式此外，基于运动轨迹数据，研究团队建立了模拟T细胞运动模式的计算模型（图4），进一步验证了“方向性迁移+稳定接触”双机制对T细胞定位与聚集的关键作用。其中，T细胞较强的运动方向持续性有助于提高对肿瘤细胞的搜索效率；而与癌细胞形成的长时间接触（dwell time）是实现聚集的核心因素。图4 计算模拟揭示T细胞搜寻策略与聚集的关键机制 3 肿瘤细胞在被特异性T细胞攻击之后启动“免疫逃逸”程序，形成耐受亚群有趣的是，研究团队还发现部分存活的肿瘤细胞在T细胞攻击后发生了表型转变。通过bulk和单细胞转录组分析，研究识别出一类具有免疫逃逸特征的肿瘤细胞亚群（Cancer-C4）：该亚群不仅显著下调趋化因子（如CXCL9/10）表达（图5），还激活上皮-间充质转化（EMT）相关通路，表现出更强的迁移性和免疫逃逸特征。图5 单细胞测序分析揭示肿瘤异质性及耐受机制该研究结合实验与计算建模手段，系统阐明了抗原特异性T细胞在与肿瘤共培养环境中实现导航与聚集的行为机制，并揭示了癌细胞在T细胞攻击下诱导形成免疫抑制表型的动态过程。研究成果有望为“冷肿瘤”的形成机制提供新的视角，也为优化免疫细胞工程设计、提升免疫疗法在实体瘤中的穿透与杀伤效率提供了关键的时空行为学依据和潜在干预靶点。二、利用深度学习构造并发现肝癌肿瘤细胞空间分布特征预后标志物（The Journal of Pathology: Clinical Research）此前不久（6月13日），李雪飞研究团队联合北京医院宋京海教授、崔菊研究员团队在The Journal of Pathology: Clinical Research上发表了题为“Leveraging deep learning to discover interpretable cellular spatial biomarkers for prognostic predictions based on hepatocellular carcinoma histology”的研究论文（图6）。该工作开发了一套基于深度学习的组织图像处理流程，构造了一系列细胞空间分布特征，系统识别并量化肝细胞癌（HCC）组织中多种细胞类型的空间分布特征，发现具备独立预后预测价值的空间生物标志物，为病理图像的结构解析和术后风险评估提供了新思路。图6 文章上线截图（全文链接：https://doiorg/101002/2056-453870033） 1 构建高通量组织图像分析流程，提取空间拓扑特征研究开发了端到端的图像处理流程（图7），结合深度学习分类器与图论方法（Delaunay三角与Voronoi图），从常规临床肿瘤切片（苏木素-伊红染色法）中识别肝癌组织内的肿瘤、免疫和基质细胞，并构建空间邻接网络，提取共计109种拓扑结构特征。图7 图像数据处理流程 2 多队列验证6个空间生物标志物，具备独立预后预测能力通过对公开数据库TCGA及北京医院两大患者队列的回顾性分析，研究最终筛选出鉴定出6种细胞空间特征与患者总体生存期显著相关。在采用一致的阈值时，这些空间特征在两个队列中均表现出显著的预后指示作用（图8），且部分特征的组合，如基质细胞周围的细胞多样性均值(StrDiv-M)、细胞间距离中位数(CellDis-MED)等，能够进一步优化患者的生存周期分层。图8 三个重要空间特征的患者分层功效 3空间结构与分子特征关联，提示潜在生物学机制此外，研究显示，将细胞空间特征与临床特征如微血管侵犯结合（MVI），可以显著提升预后预测的准确性（图9）。这不仅为肝细胞癌的临床分层提供了新工具，也为深入理解肿瘤微环境细胞间复杂空间组织及其机制研究奠定基础。相关成果未来有望推动精准肿瘤诊疗策略的制定，提升肝癌患者的临床管理水平。图9 使用空间特征和 MVI对北京医院队列患者的疗效进行组合分析结语篇一（Communications Biology）：中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室/合成生物学研究所李雪飞研究员、松山湖材料实验室生物界面团队韩伟静副研究员、中国科学院物理研究所李明研究员是本文的共同通讯作者。中国科学院大学硕士毕业生李新月、松山湖材料实验室工程师金桃丽与王丽莎为本文的共同第一作者。篇二（The Journal of Pathology: Clinical Research）：中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室/合成生物学研究所李雪飞研究员、北京医院/国家老年医学中心肝胆胰外科主任宋京海教授、北京医院/国家老年医学中心老年医学研究所崔菊研究员是本文的共同通讯作者。中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室/合成生物学研究所助理研究员胡汇涓博士、中国医学科学院北京协和医学院研究生院毕业博士生谭天华为本文的共同第一作者。这两项研究分别从“免疫细胞行为机制”与“空间结构特征识别”两个角度出发，解析了肿瘤免疫微环境中细胞间相互作用的动态过程与组织结构的空间复杂性，展现了在定量病理、人工智能分析与细胞动力学研究方面的交叉融合能力。研究为免疫细胞导航与聚集机制的建模提供了定量依据（篇一），也为病理图像中空间结构信息的可解释提取与术后风险预测提供了计算工具与理论基础（篇二）。相关研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、广东省重点领域研发计划、广东省基础与应用基础研究基金、中央高水平医院临床研究专项、广东省珠江计划高层次人才项目、深圳市科技计划与深圳合成生物学创新研究院科研项目等项目支持。

研究细胞肿瘤空间特征

肖雨 2025-08-15 16:26:48