合成细胞用于噬菌体治疗：一种变革性平台的前景

《Frontiers in Cellular and Infection Microbiology》：Synthetic cells for phage therapy: a perspective

本综述系统阐述了合成细胞作为噬菌体治疗前沿领域的变革性平台。文章聚焦于合成细胞（即封装无细胞转录/翻译TXTL系统的膜结合囊泡）如何通过模块化基因组组装、高产噬菌体TXTL系统及智能水凝胶封装等技术，应对当前噬菌体疗法在规模化生产、个性化设计和临床转化中的核心挑战。作者前瞻性地提出了合成细胞在按需噬菌体制造、逻辑响应型抗菌材料、噬菌体-宿主互作机制解析等方向的应用蓝图，并探讨了其与人工智能AI、微流控技术结合实现可编程、可进化治疗的未来路径。

　　

合成细胞作为膜结合囊泡，封装了无细胞转录/翻译系统，代表了一个推动噬菌体疗法发展的变革性平台。该平台建立在模块化基因组组装、高产噬菌体TXTL系统和智能水凝胶封装等实验工作的基础上，旨在解决噬菌体疗法的主要局限性。

细胞无TXTL系统和合成细胞

细胞无TXTL是一种体外平台，它重构了细胞转录和翻译的核心分子机制，并得到能量再生和辅因子回收的支持，不受细胞膜的限制。该技术使用通常源自大肠杆菌的胞质提取物，提供核心的转录-翻译机制。合成细胞构建整合了无细胞蛋白质合成和脂质体技术，以创建模拟细胞现象的人工生物反应器。研究表明，合成细胞技术已达到一定的复杂程度，可作为信号转导的执行器和介质，实现与细菌之间以及合成细胞之间的通信。膜通道（如α-溶血素孔）可用于修饰脂质体的磷脂双分子层，通过将合成遗传调控机制与蛋白质生产相结合，合成细胞可作为高度可编程的人工生命单元。

合成细胞作为噬菌体研究模型

通过在受控环境中重现自然感染周期的选定特征，合成细胞为剖析噬菌体-宿主相互作用、检验机制假说和构建噬菌体研究的模块化工具包提供了一个易于操作的平台。一项关键进展是近期报道的在合成细胞中实现了完全合成的无细胞噬菌体感染周期。研究人员创建了基于脂质体的合成细胞，其封装了大肠杆菌无细胞TXTL系统，并具有脂多糖外壳。LPS外壳使T7噬菌体能够附着、感染并将T7噬菌体基因组递送到合成细胞内。感染后，封装的TXTL机制能够对递送来的噬菌体基因组起作用，并在合成细胞内产生噬菌体颗粒。

裂解蛋白是裂解周期的一个组成部分，作为“分子时钟”来计时宿主的裂解。这些蛋白质在噬菌体基因组中表达，逐渐积累在细菌膜中，并突然发生寡聚化，在细胞质膜上形成大的孔洞，从而使噬菌体编码的内溶素能够攻击细胞壁。基于脂质体的单层膜合成细胞可以被视为细菌细胞质和细胞质膜的模型。受裂解蛋白自然功能机制的启发，概念验证研究尝试对在合成细胞内组装的噬菌体进行程序化触发释放。然而，当前系统受限于其对大肠杆菌来源的TXTL的依赖，限制了其应用于感染大肠杆菌的噬菌体。为了扩大范围，需要开发来自其他能够进行噬菌体组装的细菌的非模型无细胞系统。

智能抗菌材料

合成细胞正在成为用于从头合成和递送生物药物的极简且可编程的生物反应器。这种方法超越了传统的药物递送，创建了能够在感染部位进行感知、决策和自主行动的系统。

虽然合成细胞作为独立的抗菌剂显示出前景，但当它们被整合到结构化材料中时，其治疗潜力会放大。智能抗菌材料，即一种能够感知细菌威胁、按需合成噬菌体并在感染部位释放这些噬菌体的材料，是噬菌体疗法的一个引人注目的目标。其基础在于智能材料和人工生命的融合。

合成细胞及其向智能抗菌材料转化的自下而上设计依赖于区室化的电或化学信号转导，其中通过互连特征明确的合成生物电路“模块”或“区室”来实现复杂的组织。从智能材料的角度来看，合成生物学模块的区室化允许对材料特性进行空间和时间控制，从而使同一材料能够具有不同功能的定义区域。

关键的创新将来自旨在响应病原体刺激的遗传电路的整合。这些电路被设计用于检测群体感应分子、毒力因子或与生物膜形成相关的特定微环境pH变化。在检测到这些病原体相关分子模式后，合成细胞的遗传电路将被激活，从而触发噬菌体、抗菌肽或溶菌酶在合成区室内的表达和合成。抗菌肽特别适合此应用，因为它们具有广谱活性且病原体难以对其产生耐药性。合成的AMP可以在囊泡内积累，直到膜裂解释放出大量药物，或者它们可以通过工程化的孔蛋白（如α-溶血素纳米孔）分泌，以实现持续可控的释放。

更高级的应用涉及编程合成细胞以合成和自组装抗菌纳米结构。这可能涉及表达催化有毒金属离子（例如银）在细菌膜上直接沉淀成纳米颗粒的酶，或产生破坏生物膜完整性的自组装肽纳米纤维。主要挑战仍然是优化封装TXTL系统的稳定性、产量和动力学参数，防止体内免疫识别，以及扩大生产规模。

未来方向：噬菌体治疗的统一平台

鉴于合成生物学研究的持续进展，合成细胞很快就能被设计成在体外支持整个噬菌体生命周期。通过模块化整合基因组组装盒、衣壳展示系统和可编程裂解电路，研究人员可以从头重建噬菌体行为。对于噬菌体治疗，这些合成细胞将提供一个非常有用的平台来研究噬菌体生物学的基本问题。

一个有前景的方向是开发一个具有多种细菌表面受体的模块化合成细胞库。这将能够对工程化噬菌体库进行高通量兼容性测试，促进噬菌体-宿主相互作用的大规模筛选。除了促进简单的结合分析之外，这些合成细胞还提供了一个独特的机会来剖析感染的分子力学。

这些平台可以与最小的TXTL系统（如PURE系统）相结合，并进一步通过病毒细胞分析确定的代谢中间产物进行优化，以实现对类宿主条件的精细模拟。这种自下而上的方法可以帮助我们回答基本问题，例如“组装噬菌体所需的最小宿主因子集是什么？”这个问题的解决方案将加速符合GMP标准的、优化用于治疗性噬菌体生产的最小TXTL系统的开发。

在合成细胞内局部表达治疗性有效载荷具有超越仅作为释放载体的优势：它能够按需共同合成不稳定或短寿命化合物的噬菌体，提供精确的时空药物释放控制，并降低递送前药物过早降解的风险。然而，在体内治疗应用的背景下，合成细胞本身的稳定性、免疫原性和递送方面出现了额外的挑战。

当治疗性生产能力和机理研究能力相结合时，合成细胞的威力将显现出来。这样的平台不仅能够制造治疗性噬菌体，还能测试其功效并研究其感染动态，从而在体外建立一个快速、迭代的设计-构建-测试-学习循环。真正的可编程性将取决于封装在TXTL反应中的其他成分。通过将支架噬菌体基因组与编码各种不同受体结合域或其他治疗性有效载荷的质粒共同封装，将有可能在翻译后决定噬菌体的最终形式，从而使每个合成细胞成为定制的生产线。

随着人工智能和微流控技术的结合，这一愿景可以进一步扩展：工程化噬菌体与具有可变受体景观的合成细胞之间的库对库相互作用可以被快速筛选。由此产生的数据将使得构建可靠且强大的机器学习模型用于预测性噬菌体设计变得可行，从而实现个性化和精密工程化噬菌体疗法的自动化工作流程。合成细胞可以为这种人工智能驱动的治疗性噬菌体设计提供重要的补充，为生成在公共基因组收集中未被充分代表的噬菌体-宿主相互作用的训练数据提供还原论实验平台。