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在发育和合成生物学研究中，转录组如何响应细胞形态及行为变化是关键问题。研究人员以基底爪蟾机器人（Xenobots）为对象，对比其与胚胎转录组。结果发现 Xenobots 转录组有显著变化，这为进化、生物医学及合成形态工程提供了新视角。
在生命科学的探索旅程中，基因表达一直是备受瞩目的焦点。传统的研究范式聚焦于基因表达如何驱动特定的解剖结构和行为结果，但转录组对外部环境变化的响应机制仍存在诸多未知。就像在一个神秘的黑匣子里，我们知道基因表达起着关键作用，却不清楚当细胞所处环境改变时，转录组会如何变化。此外，合成生命形式的不断涌现，也让人们对这些新生命形式的转录组特征充满好奇。在这样的背景下，为了深入探究转录组在细胞集体获得新形态和行为表型时的变化规律，美国塔夫茨大学艾伦发现中心（Allen Discovery Center at Tufts University）和哈佛大学怀斯生物启发工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）的研究人员开展了一项关于基底爪蟾机器人（Xenobots）的研究。他们的研究成果发表在《Communications Biology》杂志上，为我们揭开了细胞脱离机体影响后转录组变化的神秘面纱。
研究人员采用了多种关键技术方法来开展这项研究。在样本获取方面，他们从非洲爪蟾（Xenopus laevis）胚胎的外胚层组织构建基底 Xenobots，并获取相应的胚胎样本。在转录组分析技术上，运用 RNA 测序（RNA-seq）对样本进行转录组测序，然后通过一系列数据处理和分析方法，如使用 STAR aligner 进行 reads 比对、RSEM 工具进行基因表达定量等，来探究 Xenobots 和胚胎之间转录组的差异 。
研究结果如下：
- RNA 测序分析显示不同培养条件下胚胎转录组变化微小：研究人员发现，在 0.75X MMR 培养基中培养的 35/36 期非洲爪蟾胚胎与在 0.1X MMR 培养基中培养的胚胎相比，整体转录组变化极小，仅 6 个基因显著改变（FDR <0.05 且 log2倍数变化 > 2）。这表明胚胎转录组对外部盐浓度变化不敏感。
- RNA 测序分析显示 Xenobots 与胚胎转录组存在显著差异：将基底 Xenobots 的转录组与年龄匹配的 35/36 期非洲爪蟾胚胎转录组对比，发现 Xenobots 有 1962 个转录本显著上调（FDR <0.05 且 log2倍数变化 > 2），5053 个转录本显著下调（FDR <0.05 且 log2倍数变化 <-2），说明两者转录组存在重大差异。
- Xenobots 个体间基因计数变异性更大：通过分析基因计数变异性，发现 Xenobots 个体间基因变异系数（CV）显著高于年龄匹配的胚胎，这意味着 Xenobots 可能在探索转录组空间以适应新形态。
- 严格筛选 Xenobot 转录本：去除可能的假阳性转录本后，研究人员得到 537 个在 Xenobots 中独特上调的转录本。这些转录本涉及运动装置组装、结构形成、免疫应激反应、代谢以及声音和机械刺激感知等功能类别。
- Xenobots 对声学振动刺激有行为响应：功能实验表明，Xenobots 在 300Hz 的声学振动刺激下，运动行为发生显著改变，而同期胚胎和早期未分化的 Xenobots 则无此反应，证实了 Xenobots 具备感知声音和机械刺激的能力。
- Xenobot 转录本富含死亡转录组基因：研究发现 Xenobots 上调基因中死亡转录组基因的比例是对照组的 3.5 倍，这些基因主要涉及免疫激活、应激反应和胰岛素信号传导，表明 Xenobots 的自我组装过程可能与其他多细胞生物的死亡过程存在相似性。
- Xenobot 转录本的进化年龄特征：系统发育地层学分析显示，Xenobots 上调的转录本在进化上更为古老，在 Bilateria、Eumetazoa 和 Metazoa 等较古老的分类群中与 Xenobot 转录本的重叠度更高，说明 Xenobots 在形态发生和新生生命史过程中可能重新激活了古老的转录程序。
在研究结论和讨论部分，该研究揭示了形态和新生生命史的改变足以强烈影响转录组，即形态 / 行为驱动基因表达。这一发现为理解基因组、转录组和整体形态之间的关系提供了新的视角。Xenobots 作为一种合成生命系统，其转录组变化体现了细胞功能的可塑性，细胞可以利用遥远进化历史中的基因组合和系统来适应新的环境和形态。此外，Xenobots 对声学刺激的响应为生物机器人的控制提供了新的思路，未来有望通过调节声学参数来实现对 Xenobots 行为的精确控制。同时，研究中发现的 Xenobots 代谢变化也为深入了解细胞能量利用和代谢调控提供了线索。总之，该研究成果对于进化生物学、生物医学和合成生物工程等领域具有重要的理论和实践意义，为后续研究开辟了新的方向。
