前言
细胞的生命活动受多种蛋白质的时空动态调控，这种动态组织和调控失衡会导致许多人类疾病，因此有必要认识细胞中蛋白质的时空组织和动态调控机理。目前，尽管一系列研究在这方面已经取得较大的进展，但是这些方法只能在遗传可编码性和动态控制中满足其一，无法概述细胞的自组织特点，因而无法模拟细胞生物学的核心编程语言。
2024年1月18日，来自威斯康星大学麦迪逊分校的多名学者，针对大肠杆菌（E.coli）的MinDE线路在Cell (lF=64.5) 杂志上发表了题为"A programmable reaction-diffusion system for spatiotemporal cell signaling circuit design"的研究论文，提出了一个可编程的反应扩散平台。该研究根据反应扩散系统的理论模型，利用细菌的位置线路——MinDE与真核系统正交，从而在人体细胞内实现蛋白的反应扩散系统。
研究证实了MinDE 线路在后生动物生物学中有很多应用。这些包括利用振荡蛋白质动力学作为“细胞无线电信号”，在频域中对细胞身份和结构进行条形码编码；使用这些信号来编码和散播亚细胞动力学；以及通过一系列时空动力学对下游细胞活动进行模式化等。MinDE 线路的模块化和他们可以嵌入到合成生物学范式的简便性提供了一套可视化、探测和扰动细胞生物学的工具。
结果解读
1.MinDE在哺乳动物细胞中生成了多种时空蛋白质模式
细菌的分裂由质膜表面的极对极蛋白的振荡决定，而这个振荡为一个反应扩散过程：MinD蛋白为一种ATPase，结合ATP的时候位于细菌质膜上；MinE为它的辅激活因子，游离与胞浆中，当结合MinD时会促使MinD催化ATP水解，然后MinDE分开并从质膜解离（图1A）。据此，研究者在哺乳动物细胞如3T3、U2OS细胞系中构建了mCherry-MinD和MinE-GFP表达系统，并且使用间隔拍摄荧光显微镜对荧光分布进行成像。结果发现，MinD和MinE在细胞中呈现出多种分布模式（图1B-E）。
在U2OS细胞系中，一部分细胞呈现出行波模式，MinD和MinE的强度呈现出周期性振荡，其中MinD的相位稍落后于MinE（图1C）；一部分细胞呈现出驻波振荡，即MinD和MinE的强度以几乎恒定的振幅快速振荡，MinE往往分布在MinD的周围（图1D）;一部分细胞呈现持续平稳模式，MinE完全包裹MinD形成一个个小球，每个小球的最近邻距离服从均值为5.8μm的正态分布（图1E）。这表明MinDE系统在哺乳动物细胞中也服从预期的双组份反应扩散系统。
2.合成MinDE模式和信号在遗传和生化水平是可编程的
由于每一时刻都能拍出一张成像照片，而每张照片的每个像素表示的是该时刻MinD和MinE的强度，那么对于每个像素点在时域内都能做出一个MinD和MinE强度随时间振荡的曲线图；将这些振荡图经过傅里叶变换（FFT）就能得到频域中像素点振幅与频率的关系图，在频域上以振幅作为每个像素点灰度值，就可以得到依频率排列的图堆栈。其中这个细胞图片中的大量像素点在某一频率处有振幅峰值，这个频率就称为该细胞的MinDE频率（）（图2A）。相场图反应了细胞内各个部位的相位差，延其中一条轨迹能绘制出相位差随距离的变化情况（图2B）。
为了研究MinDE的基因表达量和它们的强度振荡之间的关系，研究者对于mCherry-MinD和MinE-GFP进行了数千次成像，并使用平均GFP和mCherry强度代替MinE和MinD表达量（图2C）。研究者发现MinDE的振荡频率与MinE:MinD的比例呈正相关（图2D），并且MinE具有更快膜交换的突变形式，如L4E和F6E，能产生更高的频率（图2E）。而MinDE的振幅则主要又MinD的表达量决定，MinD表达量越高，振幅越大（图2F），并且还受到螺旋中心的密度的影响（图2G）。这些结果表明，MinDE是一种基因编码的动态蛋白质模式系统，其输出行为可以在遗传和生化水平进行调整和调节，这提供了一个起始的合成生物学模块。
3.MinDE信号在频域中将细胞身份和亚细胞结构标记为条形码
由于每个细胞产生的MinDE振荡波各不相同，因此可以使用MinDE信号作为“细胞无线电”；这些信号可以通过FFT、有限脉冲响应（FIR）滤波器、希尔伯特变换（HT）和连续小波变换（CWT）进行处理和解析，进而可以区分出单细胞和亚细胞结构（图3A）。在时域内堆栈的荧光图像，经过FFT以后得到在频域内堆栈的振幅图像，因而可以判断出每个细胞的（图3B）。根据不同细胞的进行着色，则可将不同频率的细胞区分开（图3C）。为了观察细胞分裂的过程中频率的变化，研究者以30min为单位对3T3细胞绘制了细胞频率图，并将其在24h的时间尺度上排列起来（图3D）。发现大多数细胞的频率都比较恒定，波动维持在一定范围内（图3E、F）。在亚细胞尺度上，细胞核和细胞质的MinDE频率也有一定的区别，这种区别能被激光共聚焦显微镜观察到，并且通过对频率着色能更清楚地表示这种差别（图3G）。
在低倍率宽视场成像中，这些微弱的核振荡在肉眼下并不明显（图3H），但是经过FFT能分辨出细胞质和细胞核的频率（图3I），然后通过FIR滤波器分离每个像素核和细胞质的信号，通过HT进行多通道分解，恢复这些信号的瞬时振幅（图3J），进而得到亚细胞结构随时间的动态变化（图3M）。这个过程也可以被另一过程代替：时域图像经过连续小波变换得到每一个像素点的频率随时间的变化情况（图3K），岭提取算法可以自动检测、跟踪和分离数据中有意义的信号，也能得到每一个像素点的瞬时振幅（图3L）。因此，MinDE线路产生的信号为合成蛋白质动力学中编码单细胞和亚细胞信息提供了前所未有的潜力，这些信息可以使用一套强大的数字信号处理工具轻松解码。
4.工程化的MinDE线路标条码和散播单细胞信号动态
为了研究MinDE对细胞内蛋白状态的检测作用，研究者设计了一种工程化的MinDE线路，这个线路设计了MinD-PKA和FHA1-mCerulean融合蛋白，其中FHA1为磷酸化PKA的reader，因此通过检测MinDE和FHA1的波动信号即可反应PKA的磷酸化水平（图4A）。在初始状态下，PKA的磷酸化水平很低，所以FHA1的信号不随MinDE发生明显的波动，加入PKA激动剂异丙肾上腺素后，PKA被激活，使得FHA1识别磷酸化的PKA，其信号随着MinDE发生波动（图4B、C），研究者用FHA1的振幅和MinDE的振幅之比作为归一化因素，反应PKA的活性大小（图4C）。由于不同的细胞具有不同的MinDE频率（图4D），对每个细胞按频率进行着色后，比较加激动剂前后PKA振幅的相对值，即可得出各个细胞中PKA的活性变化（图4E），通过层次聚类可以得出细胞中PKA活性变化的几种模式（图4F）。
5.MinDE控制的信号线路可以时空重组宿主的细胞生物学
为了研究MinDE对细胞内蛋白的调节作用，研究者构建了一个即插即用的平台，即构建了MinD-FRB和FKBP-载荷蛋白的融合蛋白，而加入雷帕霉素（rap）会导致FRB和FKBP的结合，从而可以使得载荷蛋白随着MinDE发生波动（图5A）。研究者以BFP作为载荷蛋白的例子，发现加入雷帕霉素前，载荷蛋白BFP几乎均匀分布在细胞质中，而在加入雷帕霉素30s后，BFP和MinDE已经有了明显的共定位（图5B）。在时域上，加入雷帕霉素前BFP几乎不展现出波动信号，加入雷帕霉素30s后BFP展现出与MinDE同频的波动（图5C），并且在频域上也能看出加入雷帕霉素30s后相比加入前在处振幅增加了13倍（图5D）。但是BFP对于MinDE的频率随MinE:MinD的改变没有影响（图5E）。
为了研究载荷蛋白对于MinDE振荡的影响，研究者使用诱导驱动的蛋白质缩合（IDR）作为载荷蛋白，以观察在IDR的过程中MinDE振荡周期的变化（图6A），发现MinDE分别与弱IDR的RGG、中等强度IDR的FUSN和强IDR的DDX4结合后，振荡频率出现了不同程度的降低（图6B-D），当MinDE与预形成蛋白质液滴的载荷蛋白FTH-FUSN结合时，MinDE立即停止振荡（图6E）。
为了研究MinDE对于细胞内通路的调控作用，研究者使用ActA作为载荷蛋白，而ActA会激活下游信号通路，导致微丝的聚合，这可以被LifeAct-GFP检测到（图6F）。当ActA与平稳模式的MinDE结合并且加入rap后，LifeAct呈现出与MinD的共定位（图6G）。当ActA与行波状态的MinDE结合后，LifeAct振荡的相位落后于MinD约8s（图6H-J），据此可以推算通路传递的时间。
总结
本篇研究利用荧光成像结合一些信号处理技术揭示了细菌中的反应扩散系统MinDE的机理。并且设计了MinDE这一个可编程的合成生物学模块，将其应用于细胞和亚细胞结构的识别（图7A），细胞内蛋白的检测（图7B）和对于细胞内生命活动的调控（图7C）。
文章主要研究思路如下：
- 细菌中的MinDE可以导入到哺乳动物细胞中，并且表现出多种周期性振荡模式；
- 这种振荡模式可以通过FFT映射到频域和相场中，并且其与的相对表达量有关；
- 根据每种细胞和亚细胞结构的MinDE频率可以将其区分开；
- MinDE系统可以用于检测细胞内蛋白质的活性；
- 即插即用的MinDE平台可以用于调控细胞内蛋白的定位；6.最后，这个平台的振荡也会受到细胞内蛋白质聚合的影响，并且可用于调控细胞内信号通路。
总的来说，这项研究建立了一个合成生物学模块，可以用于观测、解析和调控细胞内蛋白质的状态。本文逻辑清晰，设计思路值得研究合成生物学的小伙伴借鉴。同时，该研究也指出了一些局限性，如观测的时间尺度还不够大，相同频率的细胞难以分离，模型在亚细胞结构的分辨率还不够高等问题。
