合成粘附与接触信号编程酵母多细胞行为：MARS与SATURN工具包的开发与应用

本研究针对酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)缺乏天然多细胞协调能力的问题，开发了MARS(基于肽-GPCR的接触依赖性信号系统)和SATURN(合成粘附工具包)两套模块化系统。通过表面展示技术实现正交肽受体对的接触激活，结合工程化粘附蛋白对编程细胞聚集模式，成功构建了多细胞逻辑电路和发育样模式。研究进一步整合二者创建JUPITER系统，实现蛋白质相互作用的遗传传感与纳米抗体筛选。该工作为合成生物学提供了可编程的多细胞行为构建工具，拓展了酵母在生物技术和医学中的应用边界。

　　

在生命演化的长河中，从单细胞到多细胞的跃迁被视为复杂性提升的关键转折点。这一过程依赖于细胞间通讯、粘附和分化三大机制的协同作用。然而作为生物技术和基础研究的重要模式生物，酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)却长期保持着"单打独斗"的生活方式。尽管已有工具可实现类似分化的基因表达调控，但缺乏编程细胞间粘附和接触信号传导的系统性方法，严重限制了人工构建复杂酵母群落的能力。

帝国理工学院生物工程系(Imperial College London Department of Bioengineering)的研究团队在《Cell》发表突破性研究，通过开发MARS和SATURN两套合成生物学工具包，首次在酵母中实现了可编程的多细胞行为控制。MARS系统利用表面展示的肽配体与G蛋白偶联受体(GPCR)的相互作用，模拟了接触依赖性信号传导；SATURN则通过异源粘附蛋白对的精确配对，实现了可控的细胞聚集模式。二者的协同应用不仅构建了多细胞逻辑门，还衍生出能检测蛋白质相互作用的JUPITER筛选平台。

研究采用三大关键技术：(1)基于CRISPR-Cas9的多基因敲除构建工程化酵母底盘yWS3516，消除内源性粘附和信号干扰；(2)通过NN策略优化肽表面展示，开发8组正交肽-GPCR接触激活系统；(3)建立双色流式细胞术定量粘附强度的方法，筛选出8组高特异性粘附蛋白对。

Engineering yeast multicellular behaviors via synthetic adhesion and contact signaling
研究人员首先建立了接触依赖性信号传导系统MARS。通过将真菌交配肽锚定在细胞表面，当"展示细胞"表面的肽配体与邻近"传感器细胞"的GPCR接触时，激活MAPK级联反应并驱动报告基因表达。实验证明，在静态培养条件下，Sc_MARS系统能产生超过30倍的信号激活，而切换至振荡条件则使信号降低8.6倍，证实了接触依赖性：

Design of multicellular logic based on MARS
研究进一步构建了包含6个节点的信号传递链，并通过分布式遗传电路实现了OR、NOR、AND和XOR四种逻辑运算。其中AND逻辑门要求两种细胞通过Vp1和Ca_MARS系统进行双向确认，展示了工具包在复杂群体行为编程中的潜力。

SATURN, a synthetic cell-cell adhesion toolkit
在工程化酵母菌株yWS3516(累计23个基因敲除)基础上，团队开发了SATURN粘附系统。通过流式细胞术定量"双联体"形成率，筛选出包括纳米抗体-抗原、dockerin-cohesin和SpyTag-SpyCatcher在内的8组正交粘附对。调整细胞比例可产生网状、纤维状和球状等空间模式：

Combining MARS and SATURN for advanced multicellular interactions
通过整合两种系统，研究人员设计了"隔离"、"相分离"和"桥接"三种多细胞模式。在桥接模式中，同时表达Nb3和Ag2的"红色细胞"成功连接了本不互作的"蓝色"与"绿色"细胞群体，并激活了二者的基因表达，模拟了发育过程中的细胞分化行为。

JUPITER, a yeast system for monitoring PPIs
最终开发的JUPITER系统将蛋白质相互作用强度转化为遗传输出。通过引入正反馈回路增强信号，该系统能区分纳米抗体变体间细微的亲和力差异，并成功从混合库中富集高亲和力克隆：

这项研究构建了迄今最全面的酵母多细胞工程工具包，其创新性体现在三个维度：在基础科学层面，首次在真核微生物中实现了类似后生动物的接触依赖性信号传导；在技术层面，开发的模块化系统可与现有合成生物学工具兼容；在应用层面，JUPITER系统为抗体筛选提供了新范式。虽然目前聚集规模受限于粘附蛋白的亲和特性，但该工作为构建更复杂的合成多细胞系统奠定了框架，未来或可应用于生物制造、治疗开发和合成生态学研究。研究揭示的"反馈调节对系统稳定性的重要性"也为理解天然多细胞进化提供了新视角。