《Nature Biotechnology》人工细胞的光合引擎

哈佛大学的研究人员设计出了一种细胞结构，可利用光合作用进行指定反应。

　　

生物通报道：创建人工细胞有两种方法：1）重新设计活细胞的基因组“软件”；2）从头组装简单的、类似细胞的结构，制造“硬件”，模仿活体细胞功能。

第二种方法面临的最大挑战之一是模仿生命结构的复杂行为和其所需的复杂化学、生物反应。

现在，来自哈佛大学和（首尔）西江大学的国际研究小组为人工细胞设计了一个可利用光合作用进行代谢反应（包括能量收集、碳固定和细胞骨架形成）的类细胞结构。

这项研究发表在《Nature Biotechnology》。

细胞膜（红色边界）；细胞骨架、封装的肌动蛋白（白线）；肌动蛋白通过偶联人工细胞器（绿点）合成的ATP聚合

“这项研究开辟了几个能在细胞层面上做的事情，”哈佛大学工程学院生物工程和应用物理学教授Kit Parker说。“用光激活代谢反应，利用活细胞搭建蛋白质网络，再将所有生产组分封装。”

“我们已经验证的这种机制应该是开发人工细胞多调控网络的第一步，它足以维持内部稳态和复杂细胞行为，”西江大学化学系教授Kwanwoo Shin说。

为了构建这种合成系统，研究人员设计了一个来自植物和动物世界的独特光合细胞器。

“我们的想法很简单，”文章一作、博后研究员Keel Yong Lee说。“我们选用了两种光电转换器蛋白，一种来自植物，另一种来自细菌，它们可以在细胞膜上生成梯度引发反应。”

光电转换器对红色和绿色两种不同波长的光敏感。这些光电转换蛋白质和ATP生成酶被嵌入简单的磷脂膜中，当膜被红光照射时就会发生光合化学反应，产生细胞所需的能量ATP。当膜被绿光照射时，能量生产停止。开启和关闭能量生产的设计允许研究人员便捷地控制细胞内部反应，包括肌动蛋白聚合、细胞和组织基本构块建设等。

红光通过在细胞器内产生质子来促进ATP的合成，而绿光则通过消耗质子来阻碍ATP的合成

“在人造细胞领域，之前的研究也利用了这些蛋白来生产ATP，但却是一次性的，”文章共同作者Sung-Jin Park说。“而我们将植物界和动物界最好的光电转化器结合后，我们就能协调和控制细胞能量生产，从而控制蛋白质生产。”

调节肌动蛋白生产让研究人员可以控制细胞形状，并为设计可移动的细胞提供了基础。这种自下而上的方法也可用于其他人工细胞器，如内质网或细胞核样系统。这项成就很可能是仿生人工细胞系统搭建成功的第一个步骤。

“将功能蛋白和细胞器网络引入人工细胞环境为实现从头构建细胞伟大目标铺平了道路，”Shin说。

“从生殖医学到伤口创面，再到其它更奇异的疾病，如今，我们已经对控制细胞内进程的工具有所了解，我们正在向真正的细胞修复术（cellular prosthetics）理念奋勇前行，”Parker说。

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原文检索：Photosynthetic artificial organelles sustain and control ATP-dependent reactions in a protocellular system

（生物通：伍松）