人工细胞新里程碑：供能自给自足

东京理工大学地球生命科学研究所（ELSI）的副教授Yutetsu Kuruma领导的一个团队构建了一些可以产生化学能，帮助合成细胞各个部分的简单的人工细胞。这项工作标志着，构建完全光合的人工细胞的一个重要里程碑，同时，也可以帮助揭示地球生命早期的原始细胞是如何利用阳光作为能源的。

　　

现在的许多子细胞系统，都是通过简单地将细胞成分混合在一起而建立的，然而，真正的活细胞可以构建和自我组织各种组件。

一直以来，打造人工细胞的长期目标是：人工细胞自己利用环境中的可用能量来合成自身成分。

该系统结合了无细胞蛋白合成系统，包括各种来自活细胞的生物大分子和小蛋白脂质聚集物（ATP合成酶和细菌视紫红质等），也是从活细胞中纯化的。将它们包裹在合成囊泡内。ATP合成酶是一种生物蛋白复合物，利用细胞内液体与细胞环境液体之间的势能差，生成ATP分子作为细胞能量货币。细菌视紫红质是一种从来自原始微生物的光收集蛋白，它利用光能将氢离子运输到细胞外，从而产生一种潜在的能量差帮助ATP合成酶运作。因此，这些人造细胞能利用光产生氢离子梯度，产生的能量用于其子细胞系统制造更多蛋白质。

正如科学家们所希望的那样，光合ATP被用作转录的底物和翻译的能量来源。通过将部分ATP合成酶和细菌视紫红质基因包裹在内，这些过程最终也推动人工细胞生产更多的细菌视紫红质和ATP合成酶的组成蛋白，新形成的细菌视紫红质和ATP合成酶部分自发地整合到人工光合细胞器中，进一步增强了ATP的光合作用活性。

正如Kuruma教授所说：“我们一直在努力构建一个活的人工细胞，重点研究了细胞膜。在这项研究中，我们的人工细胞被包裹在脂质膜内，一些小的膜结构被包裹在里面。细胞膜的形成是细胞最重要的方面，我们想证明这一点对人工细胞研究和生命起源研究的重要性。”

Kuruma认为，这项工作的最大影响点是人工细胞能够产生能量来合成细胞本身的各个部分。这意味着它们在能量上独立，然后可以像天然的生物细胞一样构建自我维持的细胞。“这项工作最具挑战性的是，细菌视紫红质和ATP合成酶的光合作用，二者都是膜蛋白，我们试图光合一个完整的ATP合成酶，它含有8种组分蛋白，但是，由于无细胞蛋白合成系统的低生产率，目前我们还完成不了。如果对其进行升级，或许未来我们将有能力光合8种组成蛋白。”

这是一个简单的人工细胞系统，包括两种膜蛋白，能够提供能量来驱动基因在微囊泡内表达。研究人员认为，在现代自养细胞出现之前，利用阳光的原始细胞在生命进化早期就可能存在，他们相信，构建活的人工细胞的尝试将有助于理解早期地球非生物物质向生物物质的转化，并有助于开发能够感知光合驱动生化反应的基于生物学的装置。

这些人工光合细胞系统为构建自给能源的人工细胞铺平了道路。

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原文检索：Samuel Berhanu, Takuya Ueda, Yutetsu Kuruma. Artificial photosynthetic cell producing energy for protein synthesis. Nature Communications, 2019; 10 (1) DOI: 10.1038/s41467-019-09147-4

（生物通：伍松）