當人體需要某類細胞時，比如心臟出現問題，就取些成纖維細胞，“定制”打造成心肌細胞來幫助心臟恢復；當人體不需要某類細胞時，比如發生癌變，就引導癌變細胞快速凋亡。
幾位華人博士為這一設想的實現提供了新的工具。他們開發了一個細胞命運預測模型，能夠預測細胞發育所要經歷的過程和最終命運。還能給出相應的發育方程，定量描述細胞命運的轉變路徑。
也就是說，如果想定制某一類細胞，需要哪些細胞作為原材料、需要什么條件、如何選擇分化路徑，這個模型都能告訴你。
北京時間2月1日，美國麻省理工學院教授Jonathan Weissman組博士后邱肖杰、匹茲堡大學博士生張衍為共同一作的研究在Cell（《細胞》）在線發表。
尋找生物學中的“萬有引力”定律
作為17世紀自然科學最偉大的成果之一，萬有引力定律揭示了天體運動的規律。在天文觀測中，只要有一定的觀測資料，根據萬有引力定律，就能計算出天體運動的軌道。這為航天探索提供了堅實的理論基礎。
而在微觀層面，當動物體內的胚胎干細胞分化成心肌細胞、造血細胞、骨髓細胞、脂肪細胞等時，或許也遵循著某個定律。如果能找到這個定律，就像計算天體運動軌道一樣，也能計算出單個細胞的分化路徑。
2011年，在導師的“放養”式管理下，本文的共同一作、共同通訊作者邱肖杰擁有大把的時間去廣泛閱讀文獻，這個過程中他萌生了上述想法。那時的他很興奮，立即選取了兩個基因的相互作用進行數學建模，對體系分化進行了初步的函數表征。
“雖然當時的研究很不成熟，也沒有發表在特別好的期刊上，但這顆種子已經深深扎進我心里了。”邱肖杰說。
后來，隨著單細胞測序技術的出現和發展，他意識到，這給細胞分化命運的研究帶來了契機。
決定每個細胞獨特功能的是細胞內活躍的一大批特定基因，它們相互作用構成了決定細胞分化命運的大型調控網絡。當有了所有細胞的基因組數據、有了大數據技術，全面分析基因調控網絡也就成為了可能。
2018年，單細胞數據分析領域有一個重要突破，有研究者提出利用RNA速率從固定細胞數據中預測細胞基因表達狀態變化方向的方法。
這也給了邱肖杰很大的啟發：我們能否再進一步，不僅實現細胞命運的預測，也給出相應的“方程式”和生物學解釋呢？
邱肖杰
用物理學方法解決生物學問題
一次偶然的面試時，邱肖杰遇到了邢建華，即本篇研究的通訊作者之一、匹茲堡大學教授。
“肖杰很熱情地向我解釋他的想法，事實證明，他找對人了。”邢建華告訴《中國科學報》，“我們課題組一直致力于用數學和物理的思維及手段解決生物學問題,尤其是認識并調控細胞形態分化或重組。用數學方程描述基因網絡是系統生物學的基本工具，其中一個挑戰是缺乏大規模的定量數據，而這正是肖杰擅長的。我們一拍即合。”
邢建華
落實到具體的研究中，想要把細胞、基因、相互作用等生物學中的概念，抽象成數學表達，再放到動力學系統理論的框架下，找到能夠擬合的函數，最終得出“細胞命運”方程，并不容易。
后來，邱肖杰、張衍采用機器學習的方法，對十幾個數據集進行了分析，每個數據集中包含數千至數萬個細胞不等，經過優化迭代，最終開發出了名為dynamo（發動機）的算法模型。
“優化迭代中的每一步都不好走，由于沒有成型的工具包，我們需要不斷調試參數、代碼，保證擬合效果。同時，為了使這個工具好用，我們還要盡可能地減小內存、加快運行速度。”張衍說。
張衍
對于大多數的機器學習方法來說，其中的過程都是“黑箱”，即使能給出準確的預測結果，但結果是怎么得來的，很難明確解釋。
而在本項研究中，他們結合重構的向量場與系統生物學/動力學系統理論中的一些概念，使“黑箱”變成了“白箱”。也就是說，dynamo不僅能預測細胞分化的最終命運，還能給出相應的生物學解釋，即由于在哪些關鍵基因的在哪些分化階段的相互作用才導致了細胞的最終分化。
隨后的2000多個人造血干細胞分化的驗證實驗表明，將單細胞測序數據作為dynamo輸入量，即可預測出其分化成神經細胞、紅細胞、血液細胞等的動態圖譜及分化時間。這與以往研究者利用動物實驗進行細胞分化的結果完全吻合。
人造血干細胞分化預測圖
學科交叉產生的奇妙反應
談及研究成功的“秘笈”，幾位合作者不約而同地提到了學科交叉。
這種學科交叉不僅體現在合作者有著不同的學術背景，還可以追溯到他們多年前的“不務正業”。
“研究生階段，我花了很多時間閱讀文獻，從中發現了自己真正感興趣的方向，和我當時的方向并不一致，頂住了重重壓力才得以繼續研究。”邱肖杰告訴《中國科學報》。
而對于藥學專業背景的張衍來說，把時間花在數學、計算機的專業學習上，才是他最喜歡的事情。
邢建華更是如此。“作為物理化學背景出身的人，我希望為生物學研究注入新的視角。我想，本項研究的最大貢獻是能啟發大家利用單細胞數據和物理思維，結合數據和理論去尋找細胞動力學方程。”
視角不同，當然會有爭執，有很多次，這幾位研究者爭論得面紅耳赤，誰也不服誰。
圖文摘要
可這恰恰也是碰撞的樂趣，化學反應中，不同的物質相遇，升溫、變色甚至爆炸都是常事，可只要弄清楚性質、掌握好劑量，不同物質間產生的相互作用遠比一種物質更加奇妙。