来自加州大学旧金山分校和北京大学的研究人员在合成生物学领域取得重大突破，成功设计并构建出能够自组织细胞极化的合成调控网络。相关论文《Designing Synthetic Regulatory Networks Capable of Self-Organizing Cell Polarization》于10月4日发表在《细胞》（Cell）杂志上。

加州大学旧金山分校的Wendell A. Lim博士和北京大学的汤超教授是本文的共同通讯作者。汤超教授现任美国加州大学旧金山分校教授、北京大学前沿交叉学科研究院理论生物学中心主任、北京大学-加州大学定量生物医学联合研究中心主任等职，长期致力于生物分子网络的理论与实验研究、系统生物学以及生物系统中的理论问题。

生命的本质是以本能为指向、以信息为先导、在环境因素诱导下进行的自组织过程，其物质基础是细胞。然而，细胞如何利用遗传编码的分子规则形成整体性的自组织结构，目前尚不完全清楚。合成生物学作为21世纪新兴的分子科学，与传统生物学从生命体出发研究其内在构造的思路不同，它从最基本的要素开始逐步构建生物体的零件，通过元件及基因线路在生物装置、模块、细胞到多细胞系统各个层次进行设计和建造，从而建立人工生物体系，使生物体按预想方式完成各种生物学功能，并借此揭示生物学的基本机制。

在本研究中，研究人员利用合成生物学方法探讨了模拟细胞极化的环路设计原理。首先，他们通过计算机模型搜索了所有可能实现极化的简单网络，发现所有网络都涉及三种小模体之一：正反馈、相互抑制或带有正反馈的抑制子。在有限条件下，这些小模体可单独实现极化，而组合两个或更多模体则能使环路显著更加稳定。

基于这一设计原理，研究人员在酵母中构建了人工极化网络，利用嵌合信号蛋白工具箱在空间上指导磷脂酰肌醇-3磷酸（PIP3）的合成与降解。具有组合模体的环路生成了明确的人造PIP3极化网络，可持续近一个小时。