Nature：利用细菌构建出模拟活细胞结构和功能的合成细胞

在一项新的研究中，来自中国上海交通大学、英国布里斯托大学和法国国家科学研究中心的研究人员利用细菌的潜力来帮助建立先进的合成细胞来模拟真实生命的功能。他们在构建称为原细胞（protocell）的合成细胞方面取得的重要进展可以更准确地模拟活细胞的复杂组成、结构和功能。相关研究结果于2022年9月14日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Living material assembly of bacteriogenic protocells”。

从自下而上的合成生物学和生物工程到生命起源研究，在原细胞中建立真实的功能是一个跨越多个领域的全球性重大挑战。以前使用微胶囊建立原细胞模型的尝试已经失败了，因此科学家们转向细菌，使用活体材料组装过程建立复杂的合成细胞。

这些作者展示了一种利用充满活细菌的粘性微液滴作为微型建筑场地来构建高度复杂的原细胞的方法。在第一步中，他们将空液滴暴露于两种类型的细菌：一个细菌群体自发地被捕获在这些液滴内，而另一个细菌群体则被困在液滴表面。然后，这两种类型的细菌都被消灭，这样释放出的细胞成分仍然被困在液滴内部或表面，从而产生含有数千个生物分子和机械零件的膜包覆的细菌性原细胞（bacteriogenic protocell）。

这些作者发现，这些原细胞能够通过糖酵解产生富含能量的分子（ATP），并通过体外基因表达合成RNA和蛋白，这表明遗传的细菌成分在这些合成细胞中保持活性。

为了进一步测试这种技术的能力，他们采用了一系列的化学步骤，从结构和形态上重塑这些细菌性原细胞。释放出来的细菌DNA被凝聚成一种类似细胞核的结构，而且液滴内部浸润着类似细胞骨架的蛋白丝网络和有膜的水泡。

共捕获的菌落在凝聚微液滴中的分布和活力。图片来自Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05223-w。

作为构建合成细胞/活细胞实体的一个步骤，这些作者将活细菌植入这些原细胞，以产生可自我维持的ATP生产，并为糖酵解、基因表达和细胞骨架组装提供长期能量。奇怪的是，由于现场的细菌代谢和生长，这些原生命构造体采用了类似变形虫的外部形态，从而产生了一种具有综合生命样特征的细胞仿生系统。

论文共同通讯作者Stephen Mann教授说，“在合成细胞中实现高度的组织和功能复杂性是困难的，特别是在接近平衡的条件下。希望我们目前的细菌性方法将有助于提高目前原细胞模型的复杂性，促进无数生物成分的整合，并能开发出有活力的细胞模拟系统。”

论文第一作者Can Xu博士补充说，他们的“活体材料组装方法为自下而上构建共生的活体/合成细胞构造体提供了机会。例如，通过使用工程细菌，应该有可能制造出复杂的模块，用于合成生物学的诊断和治疗领域以及一般的生物制造和生物技术的发展”。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Can Xu et al. Living material assembly of bacteriogenic protocells. Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05223-w.

2. Research using bacteria brings scientists a step closer to creating artificial cells with lifelike functionality
https://phys.org/news/2022-09-bacteria-scientists-closer-artificial-cells.html