合成生物學研究獲重要進展——最逼真人造細胞問世

圖片來源：HENRIKE NIEDERHOLTMEYER

沒有生物學家會把化學生物學家Neal Devaraj及其同事在美國加州大學聖迭戈分校研製的微小「細胞」誤認為是真的。與包裹人體細胞的脂質膜不同，這些仿生細胞被一層塑料（聚合丙烯酸酯）包裹著。儘管它們擁有一個含有DNA的類核室，但缺乏一種像真正的細胞核那樣的膜，而且它的主要成分是黏土中發現的礦物質。

然而，未參與該研究的明尼蘇達大學合成生物學家Kate Adamala說，這些人工細胞已經是最前沿的了，這是「人們最接近於構建一個真正具有功能的合成真核細胞」。

就像真正的細胞一樣，這些小球可以向它們的鄰居發送蛋白質信號，從而引發群體行為。Devaraj團隊最近在bioRxiv網站上發表的一篇預印本論文中透露，「細胞核」能與細胞的其他部分進行對話，釋放能激發蛋白質合成的RNA。這個人工細胞核甚至可以對來自其他模擬細胞的信號作出反應。「這可能是合成生物學本年度最重要的論文之一。」Adamala說。

一直以來，合成生物學家對人造細胞有很大的夢想。與更簡單的合成結構相比，例如已經在體內運輸某些藥物的脂質體，人造細胞可能對環境更敏感，並能執行更多種類的工作。未來，人造細胞可以更精確地將藥物輸送到目標、追蹤癌細胞、檢測有毒化學物質，或者提高診斷測試的準確性。而相互作用的合成細胞陣列可以形成能感知和適應環境的人工組織和智能材料。

此外，科學家在努力設計細胞複製品的同時，可能也會更多地了解生命是如何起源並克服一些同樣的工程挑戰。

但單獨完成細胞的某些功能——如製造蛋白質和複製DNA——是不夠的。Devaraj說：「如果要開發合成材料，我們需要各個單元的合作。」研究人員已經設計出可以通過交換糖和過氧化氫等相對較小的分子進行相互交流的合成細胞。然而，Devaraj指出，人體中的許多分子信號，包括胰島素和激活免疫細胞的細胞因子，都是蛋白質，而且通常要大得多。

為了製造一種更像細胞的細胞模擬物，Devaraj和同事遠離大自然。該研究合作者、加州大學聖迭戈分校合成生物學家Henrike Niederholtmeyer說，最新的人造細胞「看起來有點像自然細胞，但它們完全是由人工材料製成的」。研究人員使用了一種帶有微觀流體通道的矽片擠壓含有DNA、黏土礦物和單個丙烯酸酯分子等原材料的微小液滴。研究人員還利用紫外線和化學處理促使每個液滴周圍形成多孔膜。與此同時，Devaraj表示，液滴內的礦物質和DNA凝結成一種具有軟性隱形眼鏡質感的凝膠，制出了細胞核的一個版本。

結果是制出一個具有新通信能力的細胞複製品。在一些實驗中，Devaraj團隊在細胞核中植入了編碼綠色熒光蛋白的DNA。他們還安裝了一個陷阱捕捉綠色熒光蛋白分子。研究人員在人造細胞周圍的液體中加入酶和其他合成蛋白質的必要物質，如核糖體，並將它們打開。這種分子機制穿過多孔膜，讀取細胞核中的遺傳信息，並引發綠色熒光蛋白的合成。

研究結果顯示，與真正的細胞一樣，這些細胞模擬物可以與附近細胞進行交流，並刺激它們產生蛋白質。

這些人造細胞還顯示出另一種類似生命的屬性——群體感應，即當細胞數量足夠多時，它們的行為就會發生變化。研究人員在測試含有不同密度細胞模擬物的溶液時發現了這種能力。

這些細胞模擬物很堅固，在冷凍兩年後仍然完好無損。它們的耐用性可能使它們成為良好的環境感測器——這是研究人員正在探索的幾種結構應用之一。Devaraj和同事還希望這些或其他合成細胞具有生長和分裂的能力。

英國倫敦帝國理工學院生物工程師Yuval Elani對這種人造細胞印象深刻。「使用這些非生物成分的想法非常強大。」但他指出，如果這些人造成分被證明與其他研究人員正在開發的構成人造細胞的「天然」成分不兼容，那麼它也可能成為一個缺陷。（編譯：魯亦）

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