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近日，英国布里斯托大学研究者于在《自然》杂志上发表了一篇基于细菌构建拥有类似真核细胞结构和功能的原细胞的研究报道。
人工构建具有活细胞类似功能的原细胞（protocell）是近年来一项跨越多个领域包括合成生物学、生物工程学和生命起源研究的全球性重大挑战。迄今为止，合成细胞主要采用将纯化后的活性酶、基因等包封到自组装囊泡、半透性微胶囊和无膜凝聚微滴中，并进行基因表达、酶催化等功能的细胞模拟性应用。这种在接近平衡的条件下通过传统的微区室化方法难以建立足够的组成多样性和生物化学互补性，且功能性比较单一，因此构建具有类似活细胞（尤其是真核细胞）的高度结构复杂性和功能多样性的人工细胞一直以来都是生物和非生物界面之间亟待解决的问题和渴望。
为了应对这一挑战，2022年9月14日，来自英国布里斯托大学的Stephen Mann教授，徐灿博士，Nicolas Martin博士以及李梅博士合作在Nature上发表了文章Living material assembly of bacteriogenic protocells，打破了利用非生命物质构建人工细胞的传统手段，开发了用聚合物-三磷酸核苷凝聚体微滴来空间可控组装和原位裂解细菌菌落的方法，构建了第一个基于原核细胞为基础材料的真核细胞模拟性原细胞。该原细胞继承了原位裂解后的活细菌细胞内高达85%左右的生物活性成分，并表现出了包括基因表达、糖酵解、酶催化等在内的类活细胞特性。并且通过一系列内源性改造，最终的原细胞拥有了包括：拟细胞膜（细菌源性磷脂膜）、拟细胞质（细菌源性生物物质）、拟细胞核（细菌源性DNA/组蛋白凝聚体）、拟液泡（膜化水泡）、拟细胞骨架（F-肌动蛋白）以及拟线粒体（可产生内源性ATP的内部活细菌）六种类细胞结构，以及发展出了具有阿米巴样非球形的不规则外部形态。这一研究首次创立的新型基于活性原核细胞的原细胞构建系统，为构建更复杂的类真核细胞体系和生命起源研究提供了一定的思路和灵感，并且在工程合成生物学和生物技术中具有非常广阔的潜在应用前景。
图注：细菌源性原细胞的显微镜图片（左）和Imaris模拟图显示具有七种细胞模拟特征的功能性原生合成细胞：1，外膜；2，拟细胞质；3，无膜DNA/组蛋白拟细胞核；4，拟线粒体（E.coli活细胞）；5，拟细胞骨架；6，膜界液泡；7，变形虫样细胞形态。比例尺，10 μm。
该仿生性原细胞的构建分两步进行，第一步构建出一个原始的具有拟细胞膜和拟细胞质两部分的原细胞框架，第二步逐步增加内部拟细胞器和细胞结构的复杂性，从而得到一个具有高度复杂拟活细胞结构和功能的原细胞。
在第一步中，该团队将空液滴暴露在两种细菌（大肠杆菌（E.coli）和铜绿假单胞菌（P.aeruginosa，PAO1 菌株）中。其中E.coli自发地被捕获在液滴内部，而PAO1被捕获在液滴表面。在得到稳定的组装体之后，接着，使用细胞壁水解酶（溶菌酶）和抗菌肽（蜂毒肽）将两种细菌进行原位裂解。裂解后的PAO1菌将质膜留在了微滴表面，而液滴内部包含了主要来自E.coli和一部分来自PAO1菌的裂解后细胞质成分（包括蛋白质、核酸等物质）。并且在裂解过程中，因为液滴内成分的改变，产生了一些膜化水泡。因为细菌的有效成分被保留完好，且由于凝聚体微滴强大的富集能力保证了活性成分的高浓度性，内部拟细胞质成分被证明具有基本的酶催化功能、糖酵解功能和基因表达功能。这里得到了一个初步的，具有细菌源性质膜包裹和细胞质活性成分的基础原细胞。
在第二步中，研究者将组蛋白和羧甲基葡聚糖（CM-dextran）加入基础原细胞，通过相分离原理在基础原细胞内部得到了单个细菌 DNA/组蛋白冷凝体，该凝聚体富集了99％的原细胞内DNA，构成了一个拟细胞核原型性结构。随后，又在原细胞细胞质部分植入了活的E.coli细菌，产生内源性ATP来行使类线粒体的职责为原细胞提供能量。该拟线粒体E.coli让原细胞的酶催化功能、糖酵解功能和基因表达功能大大提升，且在加入了肌动蛋白（Actin）后，成功诱发了G-Actin（Actin单体）向F-actin（Actin纤维状组装体）的转变，在原细胞内部构建了一个3D网络状类“细胞骨架”的结构。该结构被证明大大增强了原细胞的稳定性。更为有趣的是，随着内部代谢物质的积累，在孵育了48小时之后，原本为球状的原细胞，大部分发展出了不规则的阿米巴状细胞形状，同时保持了内部结构的复杂性，同时随着时间的推移，其细胞膜被新的细菌源性磷脂不断修复，密封性大大提升。
这种将原核细胞作为结构和功能原料库，构建具有类真核细胞基本结构和功能的人工细胞构建方法，为基于活细胞材料的自下而上构建高度集成的合成细胞提供了机会。在未来应用中，借助工程细菌来做成分提供源，可以建立更为强大的代谢网络和更复杂的基因回路，从而获得更高水平的可编程性，可应用于医疗诊断、医药生产、能源和工业等领域。最后，该由原核细胞为基础材料构建的类真核细胞体系或可为细胞起源和进化提供一定的参考价值。
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05223-w
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