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推进具有高度组织复杂性和多样化功能的人工细胞的自下而上构建仍然是生物和非生物之间的界面未解决的问题。
2022年9月14日，英国布里斯托大学Stephen Mann及上海交通大学Li Mei共同通讯在Nature 在线发表题为“Living material assembly of bacteriogenic protocells”的研究论文，为了应对这一挑战，该研究开发了一种活体材料组装工艺，该工艺基于单个凝聚微滴内空间分离的细菌菌落的捕获和现场处理，用于内源性构建膜边界、分子拥挤、成分、结构和形态复杂的合成细胞。
细菌原细胞继承了多种生物成分，表现出多功能细胞模拟特性，并且可以进行内源性改造，包括空间分区的 DNA-组蛋白核样冷凝物、膜化水泡和 F-肌动蛋白原细胞骨架细丝的三维网络。该集合体由植入的活大肠杆菌细胞产生的 ATP 产生生化能量，以产生具有阿米巴样外部形态和综合生命特性的细胞仿生系统。总之，该研究结果证明了一种自下而上构建功能性原生生物微装置的生菌策略，并为制造新的合成细胞模块和增强的活/合成细胞构建体提供了机会，在工程合成生物学和生物技术中具有潜在应用。
在合成细胞中建立逼真的功能是一项跨越多个领域的全球性重大挑战，包括合成生物学、生物工程和生命起源研究。从基于惰性胶囊的技术过渡到能够进行自主细胞模拟行为的动态微隔室实体需要在功能集成和多路复用微系统的板载通电方面取得突破性进展。到目前为止，合成细胞系统（原始细胞）的工程主要使用自组装囊泡、半渗透微胶囊和无膜或涂层凝聚层微滴。
这些隔间为生物和非生物成分的封装和交换提供了一种可控的介质，这些成分经过实验选择，以证明合成细胞模型中的基因表达、酶催化和核酶活性等单一功能。由于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化学互补性，因此在这些构建体中实现高度的组织和功能复杂性在方法上是有难度的。这些限制限制了当前原始细胞模型的结构和化学复杂性，抑制了集成组件的实施，并阻碍了激发细胞模拟系统的发展。
为了解决这些问题，研究人员开发了一种方法来设计基于原核生物作为结构和功能构建块的第一代通电原始细胞。简而言之，研究人员实施了一种活体材料组装过程，用于自下而上地构建具有多功能仿细胞特性的膜结合、分子拥挤的合成细胞。研究方法基于两个空间分离的细菌菌落（大肠杆菌和铜绿假单胞菌（PAO1 菌株））的共同捕获和现场处理，这些菌落单个聚（二烯丙基二甲基氯化铵）（PDDA）/腺苷 5′-三磷酸（ATP）凝聚微滴共同相关。
自发捕获凝聚微滴中的细菌菌落（图源自Nature ）
捕获的细菌的原位裂解自发地产生脂质膜包被的原始细胞，其中包含大量的功能性生物成分。研究人员证明了细菌原细胞能够进行复杂的加工，例如通过原代谢活性（糖酵解）产生 ATP 的内源性，并继成足够的细菌基因表达机制来实现体外转录和翻译。为了提高内部结构组织的水平，该研究结合使用内源性多核苷酸液-液相分离，ATP驱动的超分子蛋白组装，低渗性以增加具有空间分隔的核样DNA-组蛋白凝聚物的合成细胞，F-肌动蛋白原细胞骨架丝的 3D 网络和渗透响应膜结合水泡。
作为实现自我可持续能量化的一步，研究人员构建了活体合成杂交体，其中使用植入的活大肠杆菌细胞作为替代线粒体，以增加和延长 ATP 的内源性产生，从而增强激酶活性、糖酵解、体外基因表达和细胞骨架在细菌原细胞内组装。原生生物结构采用类似于阿米巴的外部形态和降低的膜通透性，以产生具有综合生命特性的细胞仿生系统。总之，该研究结果证明了一种自下而上构建功能性原细胞微装置的生菌策略，并为合成细胞模块和增强的活/合成细胞构建体的制造提供了机会，在工程合成生物学和生物技术中具有潜在的应用。
参考消息
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05223-w
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